第20卷第2期2006年3月常熟理工学院学报Journal of Changshu Institute of TechnologyVol.20No.2Mar.2006同步辐射光源简介谭伟石1,蔡宏灵2,吴小山2(1.南京理工大学理学院应用物理系,江苏南京 210094;2.南京大学固体微结构实验室,江苏南京 210093)摘 要:简要介绍了同步辐射概念、同步辐射光源的特点及我国同步辐射光源发展的现状。
关键词:同步辐射光源;同步辐射特点;发展现状中图分类号:TL8O43 文献标识码:A 文章编号:1008-2794(2006)02-0097-05 著名的物理学家杨福家先生概括了人类文明史上影响人类生活的光源的进展,分为四类[1]:第一类光源是1879年美国发明家爱迪生发明的电光源。
不言而喻,人类现在的生活与文明离不开电光源,它使人类战胜了黑暗。
第二类光源是1895年德国科学家伦琴发现的X射线源。
“X”是“未知”的符号,但是这种神秘莫测的、肉眼看不见的X光从被发现的时候就展现了它的魅力和对人类的巨大影响。
第三类光源是20世纪60年代美国与前苏联一批科学家创造的激光光源。
目前激光的应用已经进入千家万户。
如我们家庭中的激光唱片,超市的收款机所用的激光扫描器等,当然也有用于激光核聚变的大功率激光设备等,对人类的生活带来了巨大变化。
第四类光源就是同步辐射光源。
1947年在美国纽约州Schenectady市通用电气公司实验室的一台能量为70Me V的同步加速器上,首次观察到一种强烈的辐射,这种辐射便被称为“同步辐射”。
同步辐射是速度接近光速的带电粒子在磁场中沿弧形轨道运动时放出的电磁辐射。
由于同步辐射消耗了能量,妨碍了高能粒子能量的提高,所以当时一直被认为是个祸害,没有得到重视。
但是,人们很快便了解到同步辐射是具有从远红外到X光范围内的连续光谱、高强度、高度准直、高度极化、特性可精确控制等优异性能的脉冲光源,可用于其它光源无法实现的许多前沿科学技术研究。
而现在同步辐射已经成为一个重要的科学研究平台,它的应用领域已经覆盖了物理、化学、生物、材料、医药、地质等众多领域,已经成为衡量一个国家科研水平的重要标准。
1 同步辐射特点同步辐射的主要设备,包括储存环、光束线和实验站。
储存环使高能电子在其中持续运转,是产生同步辐射的光源;光束线利用各种光学元件将同步辐射引出到实验大厅,并“裁剪”成所需的状态,如单色、聚焦,等;实验站则是各种同步辐射实验开展的场所。
同步辐射光源是人类发现的第四代光源。
与前三种光源相比,它具有诸多优点:1.1 频谱分布宽广 收稿日期:2005-10-15作者简介:谭伟石(1970—),男,湖南安化人,副教授。
DOI:10.16101/ 32-1749/z.2006.02.020图1 同步辐射光源光谱分布。
图中对比给出了实验室X 射线光源的亮度和国际上不同不同同步辐射装置的能谱分布、亮度分布等。
同步辐射的波长分布是连续的,覆盖了红外、可见、紫外和X 光波段,是目前唯一能覆盖这样宽的频谱范围又能得到高亮度的光源。
利用单色器可以随意选择所需要的波长,进行单色光的实验。
同步辐射光谱范围是由加速器中的电子的能量和弯转半径决定的。
电子的能量越高,同步辐射的特征波长越短。
北京同步辐射的电子能量为2.5GeV ,弯转半径为10.345m ,特征能量为3.31ke V ;合肥同步辐射的电子能量为0.8Ge V ,弯转半径2.222m ,特征能量为0.517keV 。
1.2 高亮度同步辐射与实验室转靶X 光源相比,同步辐射光源的亮度比实验室X 射线光源连续谱部分强106-1011倍;比X 射线光源的特征谱强度强103-108倍。
自20世纪60年代中期以来,同步辐射光源的亮度已经增加了10多个数量级。
目前我国上海同步辐射光源设计的亮度位于世界先进行列。
在以往的研究中,如用实验室X 射线光源获得一幅晶体缺陷结构的形貌照片,通常需要几十小时的暴光时间,但利用同步辐射光源拍摄同样一幅晶体缺陷结构的照片仅需几秒至几十秒,工作效率提高了几万倍。
高亮度的特性决定了同步辐射光源可以用来做许多常规光源所无法进行的工作。
1.3 高准直性同步辐射基本上是在电子轨道平面中沿轨道的切线方向引出的,当北京同步辐射装置在2.2Ge V 运行时,其垂直张角仅为0.5秒(通常实验室X 射线光源的发散角为0.1°或更高,而高分辨X 射线衍射仪的发散角为10秒。
利用同步辐射光学元件引出的同步辐射光具有高度的准直性,经过聚焦,可大大提高同步辐射光的亮度,可进行极小样品和材料中微量元素的研究。
1.4 高偏振度在电子轨道平面发出的同步辐射是完全线偏振的,偏振向量在轨道平面中。
电子轨道平面上下发出的同步辐射则具有椭圆偏振,可用来研究样品中特定参数的取向问题,如利用同步辐射的偏振特性研究磁性材料中的磁矩或与磁相关的问题。
1.5 时间结构电子在储存环中是以束团的形式运动的,因此发出的同步辐射不是连续的,而是包含电子运动的时间结构或特定的脉冲结构。
脉冲宽度(对应着电子束团的长度)约为ps 量级,脉冲间隔(对应电子束团之间的距离)约为ms 量级。
利用这种特性,可研究与时间有关的化学反应、物理激发过程、生物细胞的变化等。
1.6 洁净的光源同步辐射是在10-11托的超高真空环境中产生的,没有灯丝、隔离物质等带来的污染。
这一性质对于从事表面科学、计量学研究与应用特别重要。
从1947年第一次发现同步辐射到现在,同步辐射装置的建造及其研究、应用,经历了三代的发展。
98常熟理工学院学报 2006年第一代同步辐射光源是在20世纪70年代世界各国为高能物理研究建造的储存环和加速器上“寄生的”运行的。
很快地,不仅物理学家,而且化学家、生物学家、冶金学家、材料科学家、医学家和几乎所有学科的基础研究及应用研究的专家,都从这个新出现的光源看到巨大的机会。
然而,在对储存环性能的要求上,同步辐射的用户与高能物理学家的观点是矛盾的,主要表现在由电子束的发射度所决定的同步辐射的亮度上。
它使同步辐射的用户们要求建造专门为同步辐射的应用而设计的第二代同步光源。
发射度由第一代装置的几百nm .rad 降低到第二代同步光源的50-150nm .rad 。
北京同步辐射实验室就属于第一代同步辐射光源,它的水平发射度为390nm .rad 。
20世纪80年代出现的第二代光源是专门为同步辐射应用建造的加速器,储存环的磁结构以Chasman -Gr een lattice 为特征。
合肥国家同步辐射实验室就属于第二代专用光源。
20世纪90年代开始大量出现的第三代光源则以小发射度及采用大量的插入件为特征。
第三代同步辐射光源的储存环的发射度一般为10nm .rad 量级,借助于安装大量的插入件(波荡器和扭摆器),产生准相干的同步辐射光,这不但使光谱的耀度再提高几个数量级,而且可以灵活地选择光子的能量和偏振性(左旋圆、右旋圆、水平线、垂直线,等等)。
第三代同步辐射光源的亮度比最亮的第二代光源至少高100倍,比通常实验室用的最好的X 光源要亮一亿倍以上。
它使得同步辐射应用从过去静态的、在较大范围内平均的手段扩展为空间分辨的和时间分辨的手段,这就为众多的学科和广泛的技术应用领域带来前所未有的新机遇。
日本的Spring -8是目前世界上能量最高的同步辐射光源,达到8Ge V 。
目前我国在建的上海光源就属于第三代光源。
2 同步辐射的主要运用目前,同步辐射主要研究热点有:2.1 同步辐射在生物学中的应用。
建立和发展应用同步辐射的生物大分子晶体结构数据采集,多波长反常散射实验和多光束同步辐射X 射线衍射实验所需的数据分析方法及相应的分析软件;利用同步辐射光源进行结构生物学研究,包括晶体衍射数据的收集;应用单波长和多波长收集晶体的衍射数据;生物大分子晶体结构的测定和分析;以真空紫外圆二色实验站为依托建立研究蛋白质二级结构的条件和实验方法。
2.2 对新型功能材料及光化学过程开展多种谱学研究;重点开展以下几个研究方向的工作。
稀土发光材料研究。
重点研究稀土离子在VUV 区的高激发态,以及通过“量子剪裁”探索高量子效率,高能量效率的新稀土材料。
短波段信息功能材料和宽禁带(紫光-紫外光)材料与材料物理。
对电子结构与原子几何结构开展综合研究。
纳米结构研究。
通过分子束外延技术、化学气相传输等方法制备纳米材料,并利用同步辐射光源研究纳米材料结构和性能。
氧化物铁电性和巨磁阻现象的内在联系及物理本质。
如研究电子强关联相互作用及电子态,特别是电子自旋态。
磁性薄膜材料研究。
用SXMCD 研究稀土、过渡金属薄膜多层结构中指定元素的磁学性质,电子自旋和轨道磁矩及相互作用。
环境科学研究。
利用同步辐射研究燃烧机理与大气污染;开展含氯氟烃及含溴甲烷真空紫外光电离研究,以期获得大气臭氧层破坏的机理。
2.3 用于微电子机械系统(ME MS )的新材料和相关基础研究。
微电子机械系统的研究具有极大的学科交叉性,微型元器件的制造涉及到设计、材料、制造、测试、控制、能源以及连接等技术。
同时还涉及到材料学、物理学、化学、生物学、微光学和微电子学等学科。
ME MS 技术对现代工业的发展具有极大的挑战性。
重点研究:微电子机械制作技术及新方法研究;99第2期 谭伟石,蔡宏灵,吴小山:同步辐射光源简介100常熟理工学院学报 2006年用于环境科学、化学工业的ME MS(lab-on-chip)研制及相关材料研究;微器件的微摩擦学、自润滑机理及表面特性研究。
2.4 开展发现和优化新材料集成组合技术(combinatorial技术)研究。
集成组合技术旨在把大量不同的材料“集成”在一块“材料芯片”上,并进行快速的物性检测,而同步辐射能够很好地满足这种快速物性检测的要求。
重点针对以下几种材料,发展材料芯片制备新技术和材料芯片物理性能(光、磁、介电性能)的快速筛选。
2.5 发展同步辐射光束线技术和光学元件、新实验方法、新型探测器。
中国大陆地区目前有北京同步辐射实验室(B SRF),合肥国家同步辐射实验室(NSRL),在建上海光源(SSRF),分别属于第一、第二和第三代光源。
北京同步辐射装置(B SRF)是北京正负电子对撞机国家实验室的一部分,是一个向社会开放的大型公共科研设施。
B SRF拥有11个实验站,可提供从真空紫外到硬X波段的同步辐射光,提供形貌术、衍射、小角散射、漫散射、微量微区荧光分析、吸收精细结构、光电子能谱、圆二色谱、刻度和计量、X射线微细加工等分析和加工技术,可以为物理学、化学化工、材料科学、生物学、医学、地学、环境科学、微电子学、计量学等学科的基础研究和应用基础研究提供强有力的实验研究手段。
北京同步辐射装置贯彻“开放、联合、开拓、创新”八字方针,对全国科研单位、高等院校和企业全面开放。