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专题综述同步辐射的基本知识第一讲同步辐射光源的原理、构造和特征杨传铮1,程国峰2,黄月鸿2(1.中国科学院上海微系统与信息技术研究所,上海200050; 2.中国科学院上海硅酸盐研究所,上海200050)BASIC K NOWLEDGE OF SYNCHROT RON RADIAT ION )))LECT U RE No.1PRINCIPLE,CONST RU CT ION AND CH ARACTERSOF SYNCHROT RON RADIAT ION SOU RCEYANG Chuan-zheng1,C HENG Guo-feng2,HUANG Yue-hong2(1.Shang hai Institute of M icro-Sy stem and Info rmation T echnolog y,Chinese A cademy o f Science,Shanghai200050,China;2.Shanghai Institute of Ceram ics Chinese A cademy of Sciences,Shanghai200050,China)中图分类号:O434.11文献标识码:A文章编号:1001-4012(2008)01-0028-051同步辐射光源的原理和发展简史同步辐射是电子在作高速曲线运动时沿轨道切线方向产生的电磁波,因是在电子同步加速器上首次观察到,人们称这种由接近光速的带电粒子在磁场中运动时产生的电磁辐射为同步辐射,由于电子在图形轨道上运行时能量损失,故发出能量是连续分布的同步辐射光。
关于由带电粒子在圆周运动时发出同步辐射的理论考虑可追溯到1889年Lienard 的工作,进一步的理论工作由Schott,Jassinsky, Kerst及Iv anenko,Arzim ovitch和Pomeranchuk 等直至1946年才完成,Blew ett的研究工作首次涉及同步辐射对电子加速器操作的影响,并观察到辐射对电子轨道的影响,Lee和Blew ett较详细地给出了发展史的评论。
§2.1早期历史与X射线管早期历史1895, Wilhelm Conrad Röntgen发现X射线。
1912, von Laue发现晶体对X射线的衍射。
1913, W.H. Bragg和W.L.Bragg把X射线用于解晶体结构。
标准X射线管和转动阳极靶1912, W.D. Coolidge发明了Coolidge Tube。
1960s, 商业的转动阳极靶现身于市场。
↓X-raysMo靶和Fe靶•从19世纪末开始，就有人从理论上预言作圆周运动的电子放出辐射。
•1947 年在GE 公司的一台70 MeV 的电子同步加速器上发现同步辐射•1950年代，人们经过一系列的探索，发现SR 是一种非常优异的光源。
•1960 年代初开始同步辐射的应用•1965 年储存环在Frascati 建成•70 年代开始同步辐射应用的现代阶段同步辐射的历史NS电子束同步辐射BM (弯转磁铁ID （插入件）Vaccun ductSRrf cavitySR e －QM (磁聚焦)电子储存环Re -SR SR B弯转磁铁储存环一角第一代SR光源：一机两用能量：2.5 GeV⇒第三代同步辐射光源的X射线束线示意图。
电子或正电子束团在储存环中环绕运动，环中有直线部分，放置插入件，如波荡器。
插入件的磁铁阵列迫使电荷作小幅摆动，产生强辐射束。
随后，这些辐射经过一些光学元件，如单色器，聚焦器等，被选送到样品上，由光谱分析仪探测所需信息。
光路、前端区和光束线•光线从储存环发出到实验站中被使用的整个路程称为光路。
•义储存环的屏蔽墙为界，光路可分为“前端区”和“光束线”两部分。
（1）从储存环的光束出口到屏蔽墙的一段光路称为“前端区”(front end)。
其主要功能时提供对储存环的真空保护、对实验工作人员的辐射安全保护以及对光束位置的初步确定与监控。
（2）光线从储存环屏蔽墙中射出到进入各实验站的光路称为“光束线”（beam line)。
同步辐射科普.同步辐射及其应⽤⼀、同步辐射世间万物都是由原⼦组成的，⽽原⼦是由原⼦核和核外电⼦构成的。
原⼦核带正电荷，核外电⼦带负电荷，并且正电荷和负电荷的数值相等，因此原⼦是呈中性的。
原⼦中的电⼦以很快的速度绕原⼦核旋转，如同⾏星绕太阳运动⼀样。
原⼦的尺⼨是很⼩的，只有⼀亿分之⼀厘⽶；原⼦核的尺⼨更⼩，只有⼗万亿分之⼀厘⽶，但原⼦的绝⼤部分质量都集中在原⼦核中。
原⼦的激发会产⽣光。
红外光、可见光、紫外光，是原⼦的外层电⼦受到激发后产⽣的；X 光是原⼦的内层电⼦受到激发后产⽣的；伽傌光是原⼦核受到激发后产⽣的。
由于每⼀种元素的原⼦发出的光都有它⾃⼰的特征光谱，因此可以根据物体发射的光谱来分析它的化学组分。
运动着的电⼦具有加速度时，它会放出电磁辐射，或者说它会发光。
因为光也是⼀种电磁辐射。
当电⼦在磁场中作圆周运动时，因为有向⼼加速度，所以也会发光。
电⼦在同步加速器中绕着磁场作圆周运动时发出的电磁辐射叫同步加速器辐射，简称同步辐射，或叫同步光。
其实电⼦在电⼦感应加速器，或电⼦回旋加速器中作圆周运动时也会发出这种电磁辐射。
但是因为这种辐射是1947年在美国通⽤电器公司的⼀台70MeV的电⼦同步加速器上⾸先发现的，所以⼤家都叫它同步辐射，⽽不叫它感应辐射，或回旋辐射。
现代的同步辐射光源是⼀台电⼦储存环。
电⼦储存环也是⼀种同步加速器，因此它也能发出同步辐射，⽽且是⼀种更稳定、性能更好的同步辐射。
接近光速的电⼦在储存环中作回旋运动，同时不断的发出同步光。
电⼦储存环并不能直接把电⼦从很低的速度加速到接近光速，⽽需要⼀台、有时需要两台较低能量的加速器把电⼦的速度提⾼到接近光速，然后注⼊到储存环中。
譬如我们合肥光源（HLS）就有⼀台200MeV的电⼦直线加速器作为注⼊器，把电⼦从80keV（速度为0.5倍的光速，光速为每秒30万公⾥）加速到200MeV（速度达到0.999997倍的光速），再注⼊到储存环中，然后电⼦再在储存环中从200MeV加速到800MeV（速度达到0.9999998倍的光速）。
同步辐射光源 及其应用 简介高 琛2008.12.20什么是同步辐射光束线磁场 电子轨道 电子束团HLS实验站相对论电子在磁场 中转向时，沿切线 方向辐射的电磁波v aPe =e 2 c (β γ ) 4 6π ε oρ2超新星爆发及其残骸，如金牛座蟹状星云。
《宋会要》记载： (公元1054年7月，) 客星 “昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十 三日。
”22个月后，“客星没，客去之兆也。
” 黑洞吸附带电粒子经典(等时)回旋加速器注入束流高频腔经典(等时)回旋加速器弱聚焦同步加速器注入束流高频腔经典(等时)回旋加速器注入弱聚焦同步加速器弯转磁铁 四极磁铁高频腔束流轨道强聚焦电子同步加速器插入元件：产生特征 不同的同步辐射弯转磁铁：使束流轨道 弯转，产生同步辐射高频腔：补充同步 辐射损失的能量， 或者加速电子四极磁铁：类似于透镜， 约束粒子轨迹横向尺寸真空室：保持10-9torr水平 的真空度，维持束流寿命注入束流高频腔经典(等时)回旋加速器注入弱聚焦同步加速器弯转磁铁 四极磁铁高频腔束流轨道1947年，Pollack领导的科研组 在美国通用电气公司70 MeV电 子同步加速器中首次观察到“人 造”的这种辐射。
强聚焦电子同步加速器N S同步辐射电子电子轨道弯转磁铁1/γS N S S SN N S S N N S S N N N 电子轨道中轴线Undulator(波荡器)：多极干涉，频率趋同。
高亮度，准单色光。
弯铁插入件HLSN S同步辐射电子电子轨道弯转磁铁1/γS N S S SN N S S N N S S N N N 电子轨道中轴线Undulator(波荡器)：多极干涉，频率趋同。
高亮度，准单色光。
弯铁插入件Wiggler(扭摆磁铁)：强度叠加。
高功率，(一般)短波长。
HLSBEPC：第一代HLS：第二代SSRF：第三代Swiss Light Source (SLS)DIAMONDSSRCAPSESRF同步辐射光源的分代第一代：高能加速器寄生 亮度：～1012ph/s⋅mm2⋅mrad2⋅0.1%BW 第二代：专用 亮度：～1015ph/s⋅mm2⋅mrad2⋅0.1%BW 第三代：大量使用插入件 亮度：～1018ph/s⋅mm2⋅mrad2⋅0.1%BW 第四代：FEL、衍射极限环、ERL、…… 亮度：～1021ph/s⋅mm2⋅mrad2⋅0.1%BW自由电子激光原理色散段 调制段种子激光辐射段自由电子 激光输出λ电子束团密度调制(群居) 相干辐射能量调制衍射极限储存环b∆θ∆θb⋅∆θ>>λ：非相干迭加，I∝N b⋅∆θ~λ：相干迭加，I∝N2HALSERL单色亮度的重要性y u yu=y’u’=······ u’ y’I B= s·Ω·0.1%BW单色亮度的重要性y u yu=y’u’=······ u’ y’I B= s·Ω·0.1%BW表面吸附 分子内 氢转移 磁记录时间 （磁畴翻转） 电荷转移化学键的 断裂和重组1015101810211024光源亮度（ph/s·mm2·mrad2·0.1%BW）同步辐射的优点★单色亮度高 ★光谱连续、宽 ★准直性好 ★偏振 ★脉冲时间结构 ★稳定，可精确计算偏振和时间结构椭圆偏振光 线偏振光实验室发展史一期：1984~1991(计委1983.4立项) 总投资6,240万：机器建设，5条光束 线和实验站。
北京正负电子对撞机概况北京正负电子对撞机简称:BEPC北京正负电子对撞机是世界八大高能加速器中心之一。
北京正负电子对撞机（BEPC）是我国第一台高能加速器，是高能物理研究的重大科技基础设施。
由长202米的直线加速器、输运线、周长2 40米的圆型加速器（也称储存环）、高6米重500吨的北京谱仪和围绕储存环的同步辐射实验装置等几部分组成，外型象一只硕大的羽毛球拍。
正、负电子在其中的高真空管道内被加速到接近光速，并在指定的地点发生对撞，通过大型探测器--北京谱仪记录对撞产生的粒子特点。
科学家通过对这些数据的处理和分析，进一步认识粒子的性质，从而揭示微观世界的隐秘。
北京正负电子对撞机核心部分北京正负电子对撞机是1984年作为国家重点工程之一确定的中美科技合作项目，总投资为2.4亿元，由中科院高能物理所负责建筑。
工程建筑总面积达57500平方米，形似一个庞大的“羽毛球拍”，由电子注入器、储存环、探测器、核同步辐射区、运算中心等5个部分组成。
[编辑本段]建设工程早期工程1972年8月，张文裕等18位科技工作者给周恩来总理写信，反映对进展中国高能物理研究的意见和期望。
1972年9月11日，周恩来总理对关于建设中国高能加速器实验基地报告的复信中指示：“这件事不能再延迟了。
科学院必须把基础科学和理论研究抓起来，同时又要把理论研究与科学实验结合起来。
高能物理研究和高能加速器的预制研究、应该成为科学院要抓的要紧项目之一。
”1973年初，经国家批准，中国科学院高能物理研究所正式成立。
1975年3月，国家计委向国务院提出了《关于高能加速器预制研究和建筑咨询题的报告》（七五三工程)。
刚刚复出主持中央工作的小平同志同意了那个报告,并转送周总理批示。
1977年，邓小平同志在国家科委、国家计委《关于加快建设高能物理实验中心的请示报告》（八七工程）上批示：“拟同意”。
1981年1月，国家计委决定停止十三陵“高能物理实验中心”的筹建工作(即八七工程)，对玉泉路高能加速器预制工程提出调整方案。
北京正负电子对撞机国家实验室HANDBOOK OF BEIJING SYNCHROTRON RADIATIONFACILITY北京同步辐射装置操作手册4W1A束线和形貌成像实验站北京正负电子对撞机国家实验室办公室编印2010年09月用户注意事项1.课题申请时，尽量写清楚您所需要的实验设备、实验模式与实验参数，并注明您的样品是否具有危险性（毒性、放射性、腐蚀性、易燃易爆等）。
2.实验前请尽量与实验站沟通，确保您的实验进展顺利。
3.请您按预先通知的时间来做实验，准时与其他用户交接班。
新用户最好提前到实验站熟悉实验设备、操作方法等。
4.实验前请认真学习实验站操作手册，并接受辐射防护安全培训、领取计量卡。
5.实验中，爱护实验站设施和运行设备。
6.请您认真填写《北京同步辐射实验室用光情况登记表》和《北京同步辐射装置实验情况记录表》，记录字迹要工整清楚。
7.发生故障时请及时与本站工作人员联系，并做好记录。
8.实验完成后，请您搞好用光期间的实验站卫生，将样品回收处理，保持实验台桌面整洁。
9.实验结果发表后，请您将发表文章的相关信息发送给用户办公室和实验站工作人员，以便我们对您的课题进行存档和评价。
10.欢迎您参加北京同步辐射装置组织的同步辐射应用用户会和学术讨论会。
4W1A 束线和形貌成像实验站操作规程一、 概述形貌成像验站位于北京同步辐射装置4W1A 光束线的末端，是白光和单色光兼用的实验站。
在4W1A 光束线和实验站建成后的十余年中，主要用于进行晶体材料及其器件表面和内部的微观结构缺陷分析研究。
近年来，随着X 射线成像技术的发展，该光束线站又成为国内硬X 射线相位衬度成像研究的基地，在生物、医学和材料等领域相位衬度成像研究方面发挥着日益重要的作用。
4W1A 光束线发光点来源于储存环上的4W1扭摆磁铁，束线长度为43m ，最大接收角为1.0 mard(水平)×0.3 mrad(垂直)。
4W1A 光束线和实验站布置示意图如图1所示。
