冼鼎昌：新世紀的同步輻射

央視國際 2004年11月22日 16:46

　　中國科學院高能物理研究所：冼鼎昌

　　一、同步輻射及其特點

　　同步輻射是接近光速運動的荷電粒子在磁場中改變運動方向時放出的電磁輻射。它是1947年在 GE 公司的 Schenectady 實驗室裏發現的，當時它被認為是一種妨礙得到高能量粒子的禍害。1965 年發明了儲存環，它由一系列二極磁鐵（使電子作圓周軌道運動）、 四極磁鐵（使電子束聚焦）、直線節和補充能量的高頻腔組成，可以把電子束（或正電子束）儲存在環內長時期運行，於是在每一個彎轉磁鐵處都會産生同步輻射，同步輻射才開始走向實用。

　　同步輻射的主要設備，包括儲存環、光束線和實驗站。儲存環使高能電子在其中持續運轉，是産生同步輻射的光源；光束線利用各種光學元件將同步輻射引出到實驗大廳，並“裁剪”成所需的狀態，如單色、聚焦，等等；實驗站則是各種同步輻射實驗開展的場所。

　　同步輻射具有十分優異的特性，主要表現為：

　　1. 連續譜

　　同步輻射具有連續分佈的寬廣頻譜，其分佈範圍從遠紅外一直到X射線，其中譜分佈的特徵能量由電子的能量和電子運動的彎轉半徑決定：

　　E■[keV]=0.665E■[GeV]B[T]=2.22■

　　北京同步輻射的電子能量為2.5 GeV，彎轉半徑為10.345 m，特徵能量為3.31keV；合肥同步輻射的電子能量為0.8 GeV，彎轉半徑2.222 m，特徵能量為0.517keV。

　　2. 亮度高

　　同步輻射與轉靶光源相比，X光連續譜部分要強106~1011倍；X光特徵譜則強103~108倍。自20世紀60年代中期以來，同步輻射光源的亮度已經增加了10多個數量級。上海光源的設計亮度可達到1017~1019光子數/（mm2 mrad2 s 0.1%BW），位於世界先進行列。

　　3. 準直性好

　　同步輻射基本上是在軌道平面中沿軌道的法線方向放出的，其垂直張角為：

　　?鬃[mrad]=■

　　例如，當北京同步輻射裝置在 2.2GeV運行時，?鬃 = 0.15 mrad。

　　4. 高偏振度

　　在電子軌道平面放出的同步輻射是完全線偏振的，偏振向量就在軌道平面中。電子軌道平面上下放出的同步輻射則具有橢圓偏振。

　　5. 有特定的時間結構

　　電子在儲存環中是以束團的形式運動的，因此放出的同步輻射具有特定的脈衝結構。脈衝寬度（ 對應著電子束團的長度）約為ps量級，脈衝間隔（ 對應電子束團之間的距離）約為ms量級。

　　6. 同步輻射是潔凈的光源

　　它是在10-11托的超高真空環境中産生的，沒有燈絲、隔離物質等帶來的污染。這一性質對於表面科學、計量學等應用特別重要。

　　二、 同步輻射光源的發展

　　從科技發展的歷程我們可以看到，人類所使用光源的每一次進步都對科技的發展産生了極大的推動。

　　分別於1609年和1671年發明的望遠鏡和顯微鏡，採用的是天然的可見光源；愛迪生發明電燈，是一個真正的浦羅米修斯式的功業，使人類最後戰勝了黑暗，消除了白天和黑夜的差別；1895年，倫琴發現了 X 射線；1912年，Laue等人實現 X 射線在晶體上的衍射；1913年Bragg 開始晶體學研究，從此人類的視野擴展到肉眼看不到的物體內部和微觀領域；60年代激光光源的出現，其波長單一性、方向準直性、相位的相干性以及它的高亮度，使得它在工業、通訊、國防、信息、醫療、科研、藝術等極為廣泛的領域中發揮十分重要的作用。同步輻射是人類歷史上第四次對人類文明帶來革命性推動的新光源。近年來，它已經成為物理學、化學、材料科學、地質科學、生命科學、醫學等極為眾多的學科領域中基礎研究和應用研究的一種最先進的手段，在工業應用中有著極為重要的應用前景。

　　圖1列出了各種不同光源的頻譜與功率的比較。

　　我們知道，使用光來觀察微觀世界時，一個必須遵從的原則是所使用的光的波長應當與被測對象的尺寸同量級或更小。圖2中我們列出了電磁波的波長範圍及適合研究的對象。同步輻射的波長範圍為 1μm～0.01nm，特別適於研究有關細胞、病毒、蛋白質、、晶體分子、原子等類似大小的物體。

　　同步輻射應用早期發展的里程碑如下：

　　（1）1947 年在加速器上發現同步輻射；

　　（2）20世紀60 年代初開始同步輻射應用的可行性研究；

　　（3）1965 年儲存環在意大利 Frascati 建成 ；

　　（4）20世紀70 年代開始同步輻射應用的現代階段。

　　從20世紀70年代到現在，同步輻射光源的發展已經歷了三代。20世紀70年代的第一代光源是與高能物理加速器共用的儲存環，儲存環的發射度大，同步輻射作為高能物理加速器的副産品加以利用；20世紀80年代出現的第二代光源是專門為同步輻射應用建造的加速器，儲存環的磁結構以Chasman-Green lattice 為特徵；20世紀90年代開始大量出現的第三代光源則以小發射度及採用大量的插入件為特徵。

　　表1列出了有代表性的三代同步輻射光源裝置的基本參數。

　　三、第三代同步輻射光源

　　第三代同步輻射光源具有以下的典型特徵：① 小發射度；② 亮度；③ 各種可選擇的偏振（左旋圓、右旋圓、水平線、垂直線，等等）；④ 較高的相干性。

　　其中的高亮度、偏振以及相干性是通過插入件磁鐵的應用達到的。因此各種不同種類插入件的大量應用是第三代同步輻射光源的典型特徵。

　　插入件的基本結構是在局部區域建立正負相間的週期性磁場。在這個週期性磁場中，電子是以近似正弦曲線的軌道運行。由於同步輻射的特徵能量為：

　　E■=2.218■

　　因而，即使不改變儲存環的能量，通過局部改變曲率半徑 R,也可以提高或減小特徵能量。在插入件中電子軌道的偏轉半徑由插入件的磁場確定，因而通過改變插入件的磁場可以獲得不同性能的同步輻射。

　　現有的插入件一般由電磁鐵或永磁材料（稀土）構成，可以分為兩大類：

　　（1） 扭擺器（Wiggler）。磁場強，電子軌道扭曲大，曲率半徑小，因此一般用來提高同步輻射光子的能量；

　　（2）波蕩器（Undulator）。磁場弱，電子軌道扭曲小，曲率半徑大，一般並不提高光子能量，但是提高同步輻射的亮度和相干度。

　　永磁鐵的成功使用是插入件發展的一次重大進展，使得各種不同的磁場分佈得以實現，如平面undulator、垂直兩維的 undulator、8字型的undulator，等等。

　　在 undulator 中，電子束團發射同步輻射，於是束團中的電子總是受到同步輻射光場的作用，此作用反過來又會影響電子發出的同步輻射，其結果是不斷提高 undulator 輻射的亮度和相干度。事實上，這就是實現自由電子激光的一種途徑。

　　真空盒中插入件的製成是插入件發展的另一重要里程碑。插入件磁場分佈的公式為：

　　B■= B■= exp（-nπg/λ■）

　　式中：g為插入件的磁隙；λ■為磁場週期長度。

　　上式錶明，g越小，則磁場分量就越強。

　　過去小磁隙的獲得是採用可變真空盒，在儲存環穩定運行之後，通過不同方式來改變真空盒的大小。由於真空盒本身有一定的厚度，獲得的磁隙不可能太小。要獲得更小的磁隙，就需要把插入件放入真空盒中。但是永磁材料是多孔材料，吸附有大量的氣體，不能直接用於超高真空環境中，必須用薄膜加以隔離。經過幾年的發展，真空盒內插入件的技術已經成熟，目前在NSLS， SPRING-8，ESRF上共有12個這樣的插入件在工作，還有更多的在安裝之中。真空盒內插入件可達到的磁隙一般為8mm，如熱載容許，可達 5mm；現有的最小磁隙紀錄為NSLS達到的3.3mm，其對束流壽命的影響 ＜ 10%。

　　1999年4月在 Daresbury 召開的第三代同步光源上小磁隙的實現研討會上，各國專家一致認為，真空盒內插入件的技術已經成熟，與可變真空盒方案相比可以列為首選。

　　近年來，插入件發展的另一個方面是強磁場的應用，即超導磁鐵技術的應用，一般可達到3 ~ 7T的強磁場。BESSY I 正在考慮建造 7.5T的wiggler（13 極，Ec = 5 keV）；俄國人甚至在 BINP 建造了 10.14 T 的超導wiggler。

　　從上面可以看出，插入件可以用來：① 提高同步輻射的特徵能量；② 提高同步輻射的通量或亮度；③ 産生各種偏振；④ 提高輻射的相干度；⑤ 産生在插入件中的電子的特殊軌道，如8字型插入件，可減小正前方的輻射。

　　因此，插入件是第三代光源建設的重要方面，我們應該予以足夠的重視。

　　四、 同步輻射應用的現狀及展望

　　（一） 同步輻射與物質的相互作用

　　同步輻射與物質的相互作用可以分為三大類：

　　（1）吸收——同步輻射經過物質之後，其強度由於各種原因而衰減。相應的實驗技術有：吸收譜、光刻、微細加工、成像、軟X光顯微術、心血管造影、微束CT，等等；

　　（2）散射——同步輻射與物質相互作用之後改變其傳播方向。其主要實驗技術有：衍射譜、圓二色譜、小角散射、大角散射、漫散射、非彈性散射、形貌術，等等；

　　（3）二次粒子的發射——即同步輻射與物質相互作用之後産生了次級輻射或粒子。主要實驗方法有：光電子譜、光離子譜、熒光譜、光激勵脫附，等等。

　　同步輻射的部分優異性能在第一代和第二代光源的應用過程中已經得到了很好的應用，如高通量、高亮度和波長可調等，但有三個方面性能的應用一直開展得不夠，它們分別是光的偏振性、脈衝性和相干性。到了第三代同步輻射光源，它們也才開始得到部分應用。表2列出了同步輻射各種性能在三代光源中的利用情況。

　　（二） 第三代同步光源對科學帶來的主要影響

　　第三代同步輻射的高亮度，使得以前難以開展的工作得以展開，其主要方面有：

　　（1）高通量——使得時間分辨實驗成為可能；

　　（2）高亮度——在物理學、化學、材料科學及生命科學中的衍射、散射、譜學等應用的整個領域：① 微束：X光掃描顯微學、顯微譜學、微衍射、微 XAFS；②細小散射體：表面及界面的原子及電子結構、超薄膜、稀薄系統；③痕量元素：X光熒光譜學；④微弱相互作用：非線性光學、核共振散射。

　　（1）波長可調——反常散射、MAD、XAFS、DAFS，等等；

　　（2）潔凈性——表面科學；

　　（3）高準直性——心血管造影、折射反差成像、平面波X光形貌術；

　　（4）偏振性——（特別是X光）磁圓二色、磁散射、Compton 磁散射；

　　（5）脈衝性——核共振散射、肌肉的時間分辨實驗、用 pump-probe 法的蛋白時間分辨實驗；

　　（6）相干性——X光波段的相干光、X光干涉儀、X光全息、相干斑圖像。