同步輻射的基本知識同步輻射光源的原理_構(gòu)造和特征

1、專題綜述同步輻射的基本知識第一講楊傳錚1,22(1.中國科學(xué)院:上海硅酸鹽研究所，上海200050)FSYNCHROTRONRADIATIONLRE1PRINCIPLE,CONSTRUCTIONANDCHARACTERSOFSYNCHROTRONRADIATIONSOURCEYANGChuan2zheng1,CHENGGuo2feng2,HUANGYue2hong2(1.ShanghaiInstituteofMicro2SystemandInformationTechnology,ChineseAcademyofScience,Shanghai200050,China;2.ShanghaiIn

2、stituteofCeramicsChineseAcademyofSciences,Shanghai200050,China)中圖分類號:O434.11文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:100124012(2008)01200282051同步輻射光源的原理和發(fā)展簡史同步輻射是電子在作高速曲線運動時沿軌道切線方向產(chǎn)生的電磁波，因是在電子同步加速器上首次觀察到，人們稱這種由接近光速的帶電粒子在磁場中運動時產(chǎn)生的電磁輻射為同步輻射，由于電子在圖形軌道上運行時能量損失，故發(fā)出能量是連續(xù)分布的同步輻射光。關(guān)于由帶電粒子在圓周運動時發(fā)出同步輻射的理論考慮可追溯到1889年Lienard的工作，進(jìn)一步的理論工作由Sc

3、hott,Jassinsky,Kers吸Ivanenko,Arzimovitch和Pomeranchuk等直至1946年才完成同ewett的研究工作首次涉及同步輻射對電子加速器操作的影響，并觀察到輻射對電子軌道的影響，Lee和Blewett較詳細(xì)地給出了發(fā)展史的評論。至今，同步輻射光源的建造經(jīng)歷了三代，并向第四代發(fā)展。(1)第一代同步輻射光源是在為高能物理研究建造與電子加速器和儲存環(huán)上的副產(chǎn)品。，美國的BrokhavenChasman2Green(2)第二代同步輻射光源是專門為同步輻射的應(yīng)用而設(shè)計建造的國家實驗室(BNL)兩位加速器物理學(xué)家ChasmanffiGreen1收稿日期：200720

4、9217作者簡介:楊傳錚(1939-),男,教授。把加速器上使電子彎轉(zhuǎn)、散熱等作用的磁鐵按特殊的序列組裝成陣列(Lattice),這種陣列在電子儲存環(huán)中采用標(biāo)志著第二代同步輻射的建造成功。(3)第三代同步輻射光源的特征是大量使用插入件(InserctionDevices),即扭擺磁體(Wiggler)和波蕩磁體(Undulator)而設(shè)計的低發(fā)散度的電子儲存環(huán)。表1為三代同步輻射光源的重要參數(shù)比較，其中表征性能的指標(biāo)是同步輻射亮度，發(fā)散度以及相干性。目前,世界上已使用的第一代光源19臺,第二代24臺,第三代11臺。正在建設(shè)或設(shè)計中的第三代14臺，遍及美、英、歐、德、俄、日、中、印度、韓、瑞典、

5、西班牙和巴西等國家。大概可分為三類：第一類，是建立以VUV(真空紫外)為主的光源，借助儲存環(huán)直線部分的扭擺磁體把光譜擴展到硬X射線范圍，臺灣新竹SRRC和合肥NSRC光源屬此類。第二類，是利用同步電子加速器能在高能和中能兩種能模式下操作，可在同一臺電子同步加速器(增強器)下，建立VUV和X射線兩個電子儲存環(huán)，位于美國長島Brookhaven國家實驗室(BNL)的國家同步輻光源(NSLS)屬于此類。第三類，是建立以X射線環(huán)為主同時兼顧?28?理頻翡電理分冊楊傳錚:同步輻射的基本知識第一講同步輻射光源的原理、構(gòu)造和特征表1三代同步輻射光源主要性能指標(biāo)的比較Tab.1Comparisonofmain

6、propertiesofthethreegenerationsynchrotronradiationsources代數(shù)電子儲存環(huán)工作模式兼用電子能量/GeV130(由高能物理決定)電子束發(fā)散度/nm?rad<1000同步輻射亮度發(fā)光元件光的干涉性開發(fā)年代第一代10131014二極彎曲磁鐵和為主20世紀(jì)60年代第二代專用約為1,產(chǎn)生真空紫外及軟X射線低能約為1,中能13.5，高能64015010151020世紀(jì)70年代第三代專用1710部分空間相干20世紀(jì)90年代VUVXX射線、軟X,但長1022ph?S-1?mrad?mm-2?(0.1BW)-1;相干性。要求空間全相干，即橫向全相干；光

7、脈沖長度要求到皮秒級，甚至小于皮秒級;多用戶和高穩(wěn)定性。同步輻射光源的一大特點是多用戶和高穩(wěn)定性，可同時有數(shù)百人進(jìn)行試驗。因此有人認(rèn)為，同步輻射光源就像能量廣泛分布的一臺超大型激光光源，特別是光的相干大大改善的第三代和第四代同步輻射光源更是如此。關(guān)于同步輻射理論和裝置方面的文獻(xiàn)太多，文獻(xiàn)2-4為該方面較新的書籍，可供需要者進(jìn)一步查閱。波部分的亮度較VUV環(huán)低些，當(dāng)然也可用長波段進(jìn)行工作，上海同步輻射裝置（SSRF）就屬止匕類。圖1為上海同步輻射裝置（SSRF）的平面示意圖，如果增強器能分別采用高能和中能兩種模式工作，在中能模式下操作，注入儲存環(huán)提供光子通量較高，主要進(jìn)行VUV環(huán)的工作;在高能模

8、式下操作，只要光束線和實驗站作合理布置，既能進(jìn)行硬X射線、軟X射線方面的工作，也能進(jìn)行很多VUV方面的工作。2同步輻射光源構(gòu)造由圖1可見,同步輻射光源由一臺直線加速器、一臺電子同步加速器（又稱增強器，Booster）和電子儲存環(huán)三大部件組成。在直線加速器產(chǎn)生并加速后注入增強器繼續(xù)加速到設(shè)定能量后，再注入電子儲存環(huán)中作曲線運動而在運行的切線方向射出同步輻射光。2.1直線加速器一般采用電子行波直線加速器，由以下幾部分圖1上海同步輻射裝置（SSRF）結(jié)構(gòu)的平面示意圖Fig.1Planarmapofstructureforshanghaisynchtronradiationfacility（SSRF）

9、組成：（1）電子槍它提供加速用的電子束，由發(fā)射電子的陰極、對電子束聚焦的聚焦極和吸出電子的陽極組成。通常陰極負(fù)高壓為40120keV,脈沖電流強度約幾百毫安。（2）低能電子束流輸運線它將從電子槍出來的電子束注入到加速波導(dǎo)中，輸運線上還有束流導(dǎo)向、聚焦、測量及聚束等裝置。（3）盤荷波導(dǎo)是電子直線加速器的主體，行波電子直線加速器的盤荷波導(dǎo)可分常阻抗和常梯度兩種，前者將波導(dǎo)的阻抗設(shè)計得各處相同，后者則使?29?(4)近些年來，由于自由電子激光(FEL)技術(shù)的發(fā)展和成功應(yīng)用，以及在電子儲存環(huán)的應(yīng)用，從自由電子激光(FEL)中引出同步輻射已經(jīng)實現(xiàn)，這就是第四代同步輻射光源。第四代同步輻射光源的標(biāo)志性參數(shù)

10、為：亮度要比第三代大兩個量級以上。第三代光源最高亮度已達(dá)1020ph?S-1?mrad?mm-2?(0.1BW)-1，目前第四代光源的亮度達(dá).i理色的驗物理分出楊傳錚:同步輻射的基本知識第一講同步輻射光源的原理、構(gòu)造和特征波導(dǎo)上各處的加速場速度不變，通常采用前者?，F(xiàn)在加速波導(dǎo)幾乎都用無氧銅制成盤荷波導(dǎo)的加工精度及表面粗糙度等工藝要求很高。(4)微波功率源與微波傳輸系統(tǒng)前者提供在電子直線加速器工作頻率波段建立加速電場所需的微波功率，把微波功率傳輸?shù)郊铀俨▽?dǎo)的傳輸系統(tǒng)包括隔離器、耦合器、真空窗和吸收載荷等元件。(5)真空系統(tǒng)加速波導(dǎo)的真空度一般應(yīng)為1.310-36.710-5Pa(6)聚焦系統(tǒng)鍥，

11、真空度一般要求10-5Pa(5)高頻加速腔電子加速是通過高頻加速腔來實現(xiàn)的，并在固定頻率下工作。電子回旋加速器(Microtron)又稱微加速器，是用改變倍頻系數(shù)的方法保證電子諧頻加速的回旋式諧振加速器，、跑道式和超。，是把多腔結(jié)構(gòu)的直線電子，于是在圓形軌道的基礎(chǔ)上增加了直線段，形狀像跑道，故稱跑道式電子回旋加速器。當(dāng)采用超導(dǎo)電子直線加速器作加速設(shè)備時稱超導(dǎo)跑道式電子回旋加速器。2.3電子儲存環(huán)(7)電子行波直線加速器對溫度的穩(wěn)定度和溫度梯度要求都很嚴(yán)格。(8)束流檢測系統(tǒng)對電子束的強度、剖面、發(fā)散度、能量、能譜、束團(tuán)相寬和相位能等進(jìn)行測量。(9)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理和控制加速器系統(tǒng)的運行、保護(hù)和

12、調(diào)整等。(10)束流輸出系統(tǒng)把已加速的電子束輸運到增強器繼續(xù)加速。2.2電子同步加速器和電子回旋加速器電子儲存環(huán)是同步輻射光源的核心設(shè)備，它不僅主要用于積累電子，即不斷地讓具有所需能量電子注入并進(jìn)行積累，使儲存的電子流到達(dá)要求值，并較長時間在儲存環(huán)里循環(huán)運動，還要使儲存環(huán)的能量及磁鐵、聚焦結(jié)構(gòu)布局符合同步輻射光源用戶的需要。儲存環(huán)的特征波長入同步輻射的亮度和用c、戶的可容納度是三個重要參數(shù)。一般分為X射線環(huán)和VUV環(huán)兩種。儲存環(huán)中的主要部件如下：真空室真空度要求在10-7Pa左右。(2)彎曲磁鐵使電子在圓弧中運動。(3)四極磁鐵因儲存環(huán)往往可被設(shè)計成多種同步加速器的作用是把直線加速器出來的電子

13、束繼續(xù)加速到所需的能量，同時使束流強度和束流品質(zhì)得到改善。一般采用強聚焦電子同步加速器，由下列幾部分組成主導(dǎo)磁鐵(即二極磁鐵)引導(dǎo)電子束彎曲作近似圓周運動彳艮多塊二極磁鐵安放在電子束的冗角度。理想軌道上，使電子回轉(zhuǎn)2(2)聚焦磁鐵在組合作用的同步加速器中設(shè)方式運行，即可在不同工作點上工作，因此四極磁鐵的磁場梯度在較大范圍內(nèi)變化時都應(yīng)使四極磁鐵有足夠好的場區(qū)。(4)插入元件是指在儲存環(huán)的直線段上插入的扭擺磁鐵(Wiggler)多極多周期的扭擺器(multi2polewiggler)和波蕩磁體(Undulator)等，它們的作用是在不提高儲存環(huán)的能量和束流強度的條件下能得到更短波長和更高通量的同步

14、輻射光，以擴大應(yīng)用范圍。(5)射頻腔和有關(guān)供電系統(tǒng)以補充電子束到同步輻射過程的能量損失。有獨立的聚焦磁鐵，是靠二極磁鐵極面形狀來實現(xiàn)聚焦的；對于分離作用的加速器，聚焦作用由四極磁鐵來承擔(dān)。無論是那種加速器，聚焦和散焦磁鐵都是交替排列在電子的封閉軌道上，用F,D和O分別表示聚焦磁鐵、散焦磁鐵和自由空間。同步加速器的磁鐵結(jié)構(gòu)可寫為FOFDOD,有時用B表示彎曲磁鐵，故可寫成FOBOD等形式。(3)校正磁鐵二極磁鐵和四極磁鐵制造和安裝都會偏離設(shè)計要求，故引起理想封閉電子軌道的畸變，所以必須對電子軌道進(jìn)行測量和校正。校正是采用小型二極磁鐵或附加在四極磁鐵上的二極場繞組進(jìn)行的。(4)真空室對磁場變化速率

15、較快的加速器，具真空室選用高純氧化鋁陶瓷管，內(nèi)壁鍍一層金屬?30?3同步輻射光束線（Beamline）和線束設(shè)備3.1 同步輻射光的引出和前段區(qū)從儲存環(huán)引出同步輻射光，可從一般彎曲磁鐵處、超導(dǎo)磁體處、Wiggler處、多重Wiggler處或Un2dulator處弓I出，也就是說，從儲存環(huán)光束引出口到光束線最前段的屏蔽墻稱為前端區(qū)，其作用主要是生精驗-物理分冊楊傳錚:同步輻射的基本知識第一講同步輻射光源的原理、構(gòu)造和特征對儲存環(huán)真空的保護(hù)、對實驗站工作人員的安全保護(hù)以及對光束位置的初步確定與監(jiān)控。由于這些功能對任何一種應(yīng)用是必要的，因此不同光束線前的前端區(qū)設(shè)計沒有原則上的區(qū)別，故前端區(qū)均采用標(biāo)準(zhǔn)

16、化和模塊式設(shè)計和布置，具部件包括前后端光束擋板和快門、真空閥、光欄、準(zhǔn)直器、濾光器和光束位置監(jiān)控器等。目前常用的光束位置監(jiān)控器（BPM）有兩種，一種叫碳素絲探針，另一種叫金剛石探測板,，必須從前端區(qū)束的防護(hù)墻到實驗站小屋（Hutch）之間的光束線內(nèi)安裝線束設(shè)備由于各實驗站對光源的要求不同，故光束線有各種不同的設(shè)計和功能，但也有共性,其典型線束設(shè)備包括透光元件、各種鏡子、各種單色器、各種光束閥門以及與光束線相聯(lián)的真空、惰性氣流管和各種冷卻系統(tǒng)。3.2各種鏡子3.2.1分束鏡物是金、鋁和釘，也有不用覆蓋物的鏡子。在接近正入射時，一種介質(zhì)界面的反射率固然低，但若有許多個平行反射面反射，且讓它們實現(xiàn)干

17、涉相長，則也可以得到較高的反射率，這就是多層膜反射鏡。多層膜反射鏡除了能改變光束方向以外，還有濾光作用，3.3、橢球面或拋物面。由于X射線的折射率略小于1,同步輻射束以極小的入射角入射到介質(zhì)表面時，發(fā)生全反射，其臨界角大小與X射線光子能量成反比，鑒于工作波長很短，光子能量高,入射角很小，因此反射鏡表面的粗糙度引起的散射會造成很大的能量損失，所以表面粗糙度一般為0.10.5nm(RMS),比工作在可見光波段要求提高12量級。反射鏡的面形有平面、大半徑球面、柱面、拋物面、橢球面和超環(huán)面，面形誤差常用傾斜誤差(SlopeError)來表示，要求為110仙ra族算成波像差來人表示，面形精度要求在入/1

18、00。常用材料有熔凝石英、SiC、無氧銅、單晶硅和鋁合金，日本常選用SiC作襯底，因其硬度高，易加工成光滑表面，耐高溫，不易變形，但價格貴，美國常選用GLID(一種摻雜銅)，其導(dǎo)熱性很好。3.3光柵分光計其作用是使光束偏轉(zhuǎn)而分裂光束，它位于光束線最前端，把前端區(qū)出口的一束光分為幾束光。3.2.2反射鏡利用全反射原理制成反射鏡，滿足折射定律：aa(1)n1sin1=n2si或中n1,n2物質(zhì)對入射線的折射率；第一種物質(zhì)的入射角；1a第二種物質(zhì)白折射角。2一當(dāng)a時，光線被第二種物質(zhì)全部反射而不2=90°進(jìn)入第二種物質(zhì)，這時a1稱為臨界角aa)c=arcsin(n1為了從波長(能量)連續(xù)分

19、布的同步輻射光取出單色或一定范圍的輻射，必須使用分光計或單色器。在VUV和軟X射線波段一般使用光柵分光計，其工作原理根據(jù)的是光柵方程，即：a+sinB)=K入d(sin當(dāng)a1>a都出現(xiàn)全反射。由于同步輻射光是在真空中運行，所以n1=1故臨界角簡化為：a(3)c=arcsinn2在X射線波段,n略小于1,故當(dāng)n=0.9999,0.999和0.99時，則a,87.聿口81.90：那c=98.20么入射線對反射鏡的掠射角分別為0.8；2.6和8.10o反射鏡作用的優(yōu)劣與它的反射能力R(a2有關(guān)，而反射能力又取決于光子能量、入射角、鏡表面材料和表面平滑度等因素有關(guān)。作為反射鏡的襯底材料有銅，Si

20、C,熔凝石英和浮玻璃等，最常用的覆蓋式中d光柵的周期長；a,-入射線、反射線與反射面法線的夾角。a與反射由式(4)可知，當(dāng)入射線的光程差dsinB之和為入射波長的整數(shù)倍時，給光的光程差dsin出干涉極大，才能獲得單色光。光柵單色器有一個從平面光柵到球面光柵的發(fā)展過程。3.3.1平面光柵把同步輻射近似看成平行光,在平面光柵單色前應(yīng)用一個既能轉(zhuǎn)動又能平行放置的平面前置鏡，使光柵在出射方向保持最大的衍射效應(yīng)，且能有效抑制高級諧波，用一個后置拋物鏡將光束聚焦于出?31?理但能驗-物理分冊楊傳錚:同步輻射的基本知識第一講同步輻射光源的原理、構(gòu)造和特征射狹縫。3.3.2球面光柵較早設(shè)計是符合Rowland

21、圖的光柵單色儀，從原理上講，該儀器有較好的分辨率，但長波長掃描運動復(fù)雜。1984年陳連德(C.T.Chen)等設(shè)計了環(huán)面光柵單色儀，它的波長掃描簡單，有高光子通量和中等分辨率。1987年陳連德提出Dragon軟X射線光束線設(shè)計方案。在單色儀入縫和出縫之間，光學(xué)元件僅用球面光柵，為了在各波長處都消除散焦，要求光柵轉(zhuǎn)動，高通量的性能。3.4圖2SaggttleDiffofdouble2，第二晶片繞。旋至2位置,雙晶出射線從B處發(fā)出,也平行IO,顯然入射到試樣上的位置發(fā)生了平移。按照新設(shè)計的雙晶機構(gòu)，為使雙晶出射線仍為BE,第二晶片必須沿垂直方向和平行于第一晶片平移，在AAOB和AA'O&#

22、39;書:'00=tan=tan'MMABAB'在硬X,其原理是8=嗇,d固定后，連續(xù)波長的入射根據(jù)公式2dsin線，取不同的Bragg角就能獲得不同波長能量的X射線。同步輻射X射線晶體單色器，就晶體而言多為完整錯、硅單晶，由于它們的峰反射率近100%,因此是理想的單色器晶體，也有用GaAs,InSb,熱解石墨和石英晶體，特別是彎曲晶體單色器多用石墨或石英。就晶體單色儀的構(gòu)造而言，有單塊彎晶單色器和雙晶單色器，雙晶單色器又有(n,-n)和(n,+m)排列的，前者是無色散的槽形雙晶單色器，后者是色散的兩晶分離的單色器，分辨率較高。從實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用單塊彎晶、槽形雙晶

23、和(n,m)雙晶單色器時，試驗中改變波長雖然方便，但改變或不改變出射方向(彎晶時)，都會改變出射位置，使得在同一樣品同一位置上進(jìn)行試驗發(fā)生困難。因此出現(xiàn)了Saggttle雙晶單色儀洪雙晶機構(gòu)如圖2所示。單色器為兩塊晶片，有公共的8M驅(qū)動,其旋轉(zhuǎn)中心在第一晶體表面，第二塊晶體有平行和垂直于第一晶序表面的平移運動，使光束到達(dá)固定出射方向和位置8,MS區(qū)動能對第二晶體提供反饋系統(tǒng)，以保持兩塊晶體的平行排列，碉節(jié)供第二晶片安裝使用。8例如,Si111，M=41.2°5.6；能量可在3.021keV(入=041300.0612nm)范圍變化，為8了擴展能量范圍，可用Si333，15,能量M=3

24、0可在11.8522.98keV(0.10450.054nm)。圖2示出Saggttle雙晶單色器的衍射幾何示意圖，當(dāng)?shù)谝痪w處在1位置時，雙晶出射線從第二晶體的B處發(fā)出，且平行于第一晶體的入射線IO;當(dāng)?shù)谝痪w旋轉(zhuǎn)到1位置時，如果是槽形雙晶，則兩2?則沿垂直方向的平移量OA-OA也Y,沿平行方向的平移量ABAB=-AX為此晶片的尺度，具體為:彎鐵引出：第一晶體寬60mm,長44mm,厚10mm;第二晶體寬60mm,長165mm,厚10mm。插入件引出：第一晶體寬4mm,長10mm,厚0.6mm;第二晶體寬4mm,長20mm,厚0.6mm。分析晶體單色器的特性需用DuMond圖來解入釋，一個完

25、整晶體的出射譜的分辨率A/為：22(2)|P|Fh入冗mcE式中|P|偏振修正因子；|Fh|結(jié)構(gòu)因子的振幅。(5)對于硅晶片的本征分辨為：Si(111)的=1.2EAX-0;Si(333)的=5.6漢0-5。E按照三維動力學(xué)DuMond圖分析計算，其分辨率表達(dá)式為：E=A<cot0+(mcjtVc222|P|Fh?(6)A)1/2+(1+cos)|rh|2式中Vc晶胞體積；非對稱因子。|rh|對于對稱Bragg衍射射有:=1；對于非對稱反|rh|（下轉(zhuǎn)第47頁）1拽生奇驗加理分出郭全英等:離合器撥叉失效分析圖9裂紋源上的缺陷Fig.9 Defect裂紋源區(qū)腐蝕產(chǎn)物脫落后的斷口形貌Fig.10 Ruptureappearanceofsourceareaafterbrushingofferodedoffspring可以看到,撥叉加5,加上撥叉加強筋上端部材料內(nèi)存在很多鑄造時產(chǎn)生的顯微裂紋和微空隙，裂紋從裂紋源處起裂后，撥叉加強筋上端部就以快速、失穩(wěn)的方式斷開。這樣撥叉加強筋上端部承載面積變小，承受應(yīng)力增大。當(dāng)加強筋以快速、失穩(wěn)的方式斷開后，又受到環(huán)境的腐蝕(圖10是斷口受腐蝕后，腐蝕產(chǎn)物脫落的形貌),加速了撥叉在工作應(yīng)力作用下裂紋不斷向前擴展的態(tài)勢，當(dāng)撥叉所受應(yīng)力大于承載能力時，整個零件