同步輻射

同步輻射

同步輻射 synchrotron radiation ,相對論性帶電粒子在電磁場的作用下沿彎轉軌道行進時所發出的電磁輻射。至今同步輻射裝置的建造及在其上的研究、套用,經歷了三代的發展。

  • 中文名稱
    同步輻射
  • 外文名稱
    synchrotron radiation
  • 類別
  • 相關學科
    物理技術

同步輻射簡介

相對論性帶電粒子在電磁場的作用下沿彎轉軌道。

同步輻射是速度接近光速(v≈c)的帶電粒子在磁場中沿弧形軌道運動時放出的電磁輻射,由于它最初是在同步加速器上觀察到的,便又被稱為"同步輻射"或"同步加速器輻射"。長期以來,同步輻射是不受高能物理學家歡迎的東西,因為它消耗了加速器的能量,阻礙粒子能量的提高。但是,人們很快便了解到同步輻射是具有從遠紅 外到X光範圍內的連續光譜、高強度、高度準直、高度極化、特徵可精確控製等優異性能的脈沖光源,可以用以開展其它光源無法實現的許多前沿科學技術研究。于是在幾乎所有的高能電子加速器上,都建造了"寄生運行"的同步輻射光束線及各種套用同步光的實驗裝置。至今,同步輻射裝置的建造及在其上的研究、套用,經歷了三代的發展。

同步輻射同步輻射

同步輻射光源的發展

第一代

是在世界各國為高能物理研究建造的儲存環和加速器上"寄生地"運行的。很快地,不僅物理學家,而且化學家、生物學家、冶金學家、材料科學家、醫學家和幾 乎所有學科的基礎研究及套用研究的專家,都從這個新出現的光源看到巨大的機會。然而, 在對儲存環性能的要求上,同步輻射的使用者與高能物理學家的觀點是矛盾的,表現在主要是 由電子束的發射度所決定的同步輻射的亮度上。它使同步輻射的使用者們要求建造專門為同步 輻射的套用而設計的第二代同步光源。發射度由第一代裝置的幾百nm.rad降低到第二代同步光源的50-150nm.rad。

第二代

第二代同步輻射裝置對科學技術研究的巨大推動,促使世界各國政府支持建造新一代具有更 高亮度的第三代同步輻射光源。第三代同步輻射光源的儲存環的發射度一般為10nm.rad量級 ,並籍助于安裝大量的插入件(波蕩器和扭擺器),產生準相幹的同步輻射光,這不但使光譜的耀度再提高了幾個數量級,而且可以靈活地選擇光子的能量和偏振性。

第三代

亮度比最亮的第二代光源至少高100倍,比通常實驗室用的最好的X光源要亮一億倍以上。它使得同步輻射套用從過去靜態的、在較大範圍內平均的手段擴展為空間分辨的和時間分辨的手段,這就為眾多的學科和廣泛的技術套用領域帶來前所未有的新機遇。日本的SPring-8是目前世界上能量最高的同步輻射光源,達到8GeV。我國台灣的國家同步輻射中心所擁有的大型粒子加速器及同步輻射裝置是亞洲第一座第三代同步輻射光源。

特點

同步輻射強度高、覆蓋的頻譜範圍廣,可以任意選擇所需要的波長且連續可調,因此成為科學研究的一種新光源。

同步幅射具有諸多優良特徵,使其成為蛋白質結構研究不可替代的研究工具。

高亮度(High-brilliance and flux: extremely intense and high energy ):同步輻射光源是高強度光源,有很高的輻射功率和功率密度,第三代同步輻射光源的X射線亮度是X光機的上億倍。

寬波段( Wide energy spectrum: tunable wavelength ):同步輻射光的波長覆蓋面大,具有從遠紅外、可見光、紫外直到X射線範圍內的連續光譜,並且能根據使用者的需要獲得特定波長的光。

窄脈沖(Very short pulses: nano-second ):同步輻射光是脈沖光,有優良的脈沖時間結構,其寬度在10~10 秒之間可調,脈沖之間的間隔為幾十納秒至微秒量級,這種特徵對"變化過程"的研究非常有用,如化學反應過程、生命過程、材料結構變化過程和環境污染微觀過程等。

高準直:同步輻射光的發射集中在以電子運動方向為中心的一個很窄的圓錐內,張角非常小,幾乎是平行光束,堪與雷射媲美,其中能量大于10億電子伏的電子儲存環的輻射光錐張角小于1毫弧度,接近平行光束,小于普通雷射束的發射角。

高偏振:同步輻射在電子軌道平面內是完全偏振的光,偏振度達 100%;在軌道平面上下是橢圓偏振;在全部輻射中,水準偏振佔75%。從偏轉磁鐵引出的同步輻射光在電子軌道平面上是完全的線偏振光,此外,可以從特殊設計的插入件得到任意偏振狀態的光。

高純凈:同步輻射光是在超高真空(儲存環中的真空度為10~10帕)或高真空(10~10帕)的條件中產生的,不存在任何由雜質帶來的污染,是非常純凈的光。

可精確預知:同步輻射光的光子通量、角分布和能譜等均可精確計算,因此它可以作為輻射計量,特別是真空紫外到X射線波段計量的標準光源。

其他特徵:高度穩定性、高通量、微束徑、準相幹等。

套用

同步輻射在基礎科學、套用科學和工藝學等領域已得到廣泛套用:①近代生物學,例如測定蛋白質的結構和蛋白質的分子結構,通過X射線小角散射可研究蛋白質生理活動過程和神經作用過程等的動態變化,通過X射線熒光分析可測定生物樣品中原子的種類和含量,靈敏度可達10-9克/克。②固體物理學,可用于研究固體的電子狀態、固體的結構、激發態壽命及晶體的生長和固體的損壞等動態過程。③表面物理學和表面化學,可用于研究固體的表面性質,如半導體和金屬表面的光特徵;物質的氧化、催化、腐蝕等過程的表面電子結構和變化。④結構化學,可用于測定原子的配位結構、大分子之間的化學鍵參數等,如對催化劑、金屬酶的結構測定。⑤醫學,可用于腫瘤的診斷和治療,如測定血液內一些元素的含量、血管造影、診斷人體內各種腫瘤和進行微型手術以除去人體特殊部位的一些異常分子等。⑥光刻技術,由于衍射效應,普遍採用的紫外線光刻的最小線寬約2微米,而同步輻射光近似平行光束,用于光刻時其線寬可降至20埃,使解析度提高幾個數量級;這對電腦、自動控製和光通信技術等意義重大。

事實上,同步輻射光源已經成為生命科學、材料科學、環境科學、物理學、化學、醫葯學、地質學等學科領域的基礎和套用研究的一種最先進的、不可替代的工具,並且在電子工業、醫葯工業、石油工業、化學工業、生物工程和微細加工工業等方面具有重要而廣泛的套用。

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