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

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1、咖 H卑ST4 4#理巒躅-掘理i询专题综述 同步辐射的基本知识 第一讲杨传铮1,22(1.中国科学院,;上海硅酸盐研究所，上海200050)FSYNCHROTRONRADIATIONLRE1 PRINCIPLE,CONSTRUCTIONANDCHARACTERSOFSYNCHROTRONRADIATIONSOURCEYANGChuan2zheng1,CHENGGuo2feng2,HUANGYue2hong2 (1.ShanghaiInstituteofMicro2SystemandInformationTechnology,ChineseAcademyofSci ence,Shanghai2

2、00050,China;2.ShanghaiInstituteofCeramicsChineseAcademyofSciences,Shanghai200050,China) 中图分类号:0434.11文献标识码:A文章编号:100124012(2008)01200282051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

3、到1889年Lienard的工作，进一步的理论工作由 Schott,Jassinsky,Kerst 及 Ivanenko,Arzimovitch 和 Pomeranchuk等直至1946年才完成,Blewett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Blewett较详细地给出了发展史的评 论。至今，同步辐射光源的建造经历了三代，并向第四代发展。(1) 第一代同步辐射光源是在为高能物理研究建造与电子加速器和储存环上的副产 品。(2) 第二代同步辐射光源是专门为同步辐射的应用而设计建造的,美国的Brokhaven 国家实验室(BNL)两位加速器物理

4、学家Chasman和Green1收稿日期:2007209217作者简介:杨传铮(1939-),男,教授。把加速器上使电子弯转、散热等作用的磁铁按特殊的序列组装成Chasman2Green 阵列(Lattice)，这种阵列在电子储存环中采用标志着第二代同步辐射的建造成功。第三代同步辐射光源的特征是大量使用插入件(InserctionDevices),即扭摆磁体 (Wiggler)和波荡磁体(U ndulator)而设计的低发散度的电子储存环。表1为三代同步辐射光源的重要参数比较，其中表征性能的指标是同步辐射亮度， 发散度以及相干性。目前,世界上已使用的第一代光源19台,第二代24台,第三代11台

5、。正在建设或设 计中的第三代14台,遍及美、英、欧、德、俄、日、中、印度、韩、瑞典、西班 牙和巴西等国家。大概可分为三类：第一类，是建立以VUV(真空紫外)为主的光源,借助储存环直线部分的扭摆磁体把 光谱扩展到硬X射线范围，台湾新竹SRRC和合肥NSRC光源属此类。第二类，是利用同步电子加速器能在高能和中能两种能模式下操作,可在同一台电 子同步加速器(增强器)下，建立VUV和X射线两个电子储存环，位于美国长岛 Brookhaven国家实验室(BNL)的国家同步辐光源(NSLS)属于此类。第三类，是建立以X射线环为主同时兼顾28 -理但縊验-物理分册杨传铮:同步辐射的基本知识第一讲同步辐射光源的

6、原理、构造和特征表1 三代同步辐射光源主要性能指标的比较Tab.1 Comparisonofmainpropertiesofthethreegenerationsynchrotronradiationsources代数电子储存环工作模式兼用 电子能量/GeV 130(由高能物理决定)电子束发散度/nm radvlOOO同步辐射亮度发光元件光的干涉性开发年代 第一代10131014二极弯曲磁铁和为主20世纪60年代第二代专用约为1,产生真空紫外及软X射线低能约为1,中能13.5，高能64015010151020世纪70年代第三代专用1710部分空间相干20世纪90年代VUVXX射线、软X,但长1

7、022ph S-1 mrad mm-2 (0.1BW)-1；相干性。要求空间全相干，即横向全相干;光脉冲长度要求到皮秒级，甚至小于皮秒 级;多用户和高稳定性。同步辐射光源的一大特点是多用户和高稳定性，可同时 有数百人进行试验。因此有人认为，同步辐射光源就像能量广泛分布的一台超大型激光光源，特别是光 的相干大大改善的第三代和第四代同步辐射光源更是如此。关于同步辐射理论和装置方面的文献太多，文献2-4 为该方面较新的书籍,可供需 要者进一步查阅。波部分的亮度较VUV环低些，当然也可用长波段进行工作，上海同步辐射装置(SSRF )就属此类。图1为上海同步辐射装置(SSRF )的 平面示意图，如果增强

8、器能分别采用高能和中能两种模式工作,在中能模式下操作， 注入储存环提供光子通量较高，主要进行VUV环的工作;在高能模式下操作，只要 光束线和实验站作合理布置，既能进行硬X射线、软X射线方面的工作，也能进行 很多VUV方面的工作。2同步辐射光源构造由图1可见,同步辐射光源由一台直线加速器、一台电子同步加速器(又称增强器Booster)和电子储存环三大部件组成。在直线加 速器产生并加速后注入增强器继续加速到设定能量后,再注入电子储存环中作曲线 运动而在运行的切线方向射出同步辐射光。2.1直线加速器 一般采用电子行波直线加速器,由以下几部分图1上海同步辐射装置(SSRF)结构的平面示意图Fig.1

9、Planarmapofstructureforshanghaisynchtronradiationfacility(SSRF)组成：电子枪 它提供加速用的电子束，由发射电子的阴极、对电子束聚焦的聚焦极 和吸出电子的阳极组成。通常阴极负高压为40120keV，脉冲电流强度约几百毫 安。(2) 低能电子束流输运线它将从电子枪出来的电子束注入到加速波导中,输运线 上还有束流导向、聚焦、测量及聚束等装置。(3)盘荷波导 是电子直线加速器的主体，行波电子直线加速器的盘荷波导可分常阻抗和常梯度两种，前者将波导的阻 抗设计得各处相同，后者则使29 -近些年来，由于自由电子激光(FEL)技术的发展和成功应用，

10、以及在电子储存环的应用，从自由电子激光(FEL)中引出同步辐射已经实现,这就是第四代同步辐射光源。第四代 同步辐射光源的标志性参数为:亮度要比第三代大两个量级以上。第三代光源最 高亮度已达1020phS-lmradmm-2(0.1BW)-1，目前第四代光源的亮度达 i理但趙验-物理分册杨传铮: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 波导上各处的加速场速度不变,通常采用前者。现在加速波导几乎都用无氧铜制成， 盘荷波导的加工精度及表面粗糙度等工艺要求很高。(4) 微波功率源与微波传输系统前者提供在电子直线加速器工作频率波段建立加 速电场所需的微波功率，把微波功率传输到加速波导的

11、传输系统包括隔离器、耦合 器、真空窗和吸收载荷等元件。(5)真空系统加速波导的真空度一般应为 1.3x10-3 6.7x10-5Pa。(6) 聚焦系统镍，真空度一般要求10-5Pa。(5) 高频加速腔电子加速是通过高频加速腔来实现的，并在固定频率下工作。 电子回旋加速器(Microtron)又称微加速器，是用改变倍频系数的方法保证电子谐频 加速的回旋式谐振加速器,、跑道式和超。，是把多腔结构的直线电子，于是在圆形 轨道的基础上增加了直线段，形状像跑道，故称跑道式电子回旋加速器。当采用超 导电子直线加速器作加速设备时称超导跑道式电子回旋加速器。2.3电子储存环(7) 电子行波直线加速器对温度的稳

12、定度和温度梯度要求都很严格。(8)束流检测 系统对电子束的强度、剖面、发散度、能量、能谱、束团相宽和相位能等进行 测量。(9)控制系统负责管理和控制加速器系统的运行、保护和调整等。(10)束流输出系统 把已加速的电子束输运到增强器继续加速。2.2电子同步加速器和电子回旋加速器电子储存环是同步辐射光源的核心设备，它不仅主要用于积累电子，即不断地让具 有所需能量电子注入并进行积累,使储存的电子流到达要求值，并较长时间在储存 环里循环运动，还要使储存环的能量及磁铁、聚焦结构布局符合同步辐射光源用户 的需要。储存环的特征波长九同步辐射的亮度和用c、户的可容纳度是三个重要参 数。一般分为X射线环和VUV

13、环两种。储存环中的主要部件如下：(1) 真空室真空度要求在10-7Pa左右。(2) 弯曲磁铁 使电子在圆弧中运动。(3)四极磁铁 因储存环往往可被设计成多种 同步加速器的作用是把直线加速器出来的电子束继续加速到所需的能量，同时使束 流强度和束流品质得到改善。一般采用强聚焦电子同步加速器，由下列几部分组成:(1) 主导磁铁(即二极磁铁)引导电子束弯曲作近似圆周运动,很多块二极磁铁安放 在电子束的n角度。理想轨道上，使电子回转2(2) 聚焦磁铁在组合作用的同步加速器中设方式运行，即可在不同工作点上工作，因此四极磁铁的磁场梯度在较大范围内变化 时都应使四极磁铁有足够好的场区。(4) 插入元件是指在储

14、存环的直线段上插入的扭摆磁铁(Wiggler )多极多周期的扭 摆器(m ulti2polewiggler)和波荡磁体(U ndulator )等，它们的作用是在不提高储存环的 能量和束流强度的条件下能得到更短波长和更高通量的同步辐射光,以扩大应用范 围。(5) 射频腔和有关供电系统以补充电子束到同步辐射过程的能量损失。有独立的聚焦磁铁，是靠二极磁铁极面形状来实现聚焦的;对于分离作用的加速器， 聚焦作用由四极磁铁来承担。无论是那种加速器，聚焦和散焦磁铁都是交替排列在 电子的封闭轨道上，用F,D和0分别表示聚焦磁铁、散焦磁铁和自由空间。同步 加速器的磁铁结构可写为FOFDOD,有时用B表示弯曲磁

15、铁，故可写成FOBOD等 形式。(3) 校正磁铁二极磁铁和四极磁铁制造和安装都会偏离设计要求,故引起理想封 闭电子轨道的畸变，所以必须对电子轨道进行测量和校正。校正是采用小型二极磁 铁或附加在四极磁铁上的二极场绕组进行的。(4) 真空室对磁场变化速率较快的加速器，其真空室选用高纯氧化铝陶瓷管，内壁 镀一层金属303同步辐射光束线(Beamline)和线束设备3.1同步辐射光的引出和前段区从储存环引出同步辐射光，可从一般弯曲磁铁处、超导磁体处、Wiggler处、多重 Wiggler处或Un2dulator处引出，也就是说，从储存环光束引出口到 光束线最前段的屏蔽墙称为前端区，其作用主要是杨传铮:

16、同步辐射的基本知识 第一讲 同步辐射光源的原理、构造和特征对储存环真空的保护、对实验站工作人员的安全保护以及对光束位置的初步确定 与监控。由于这些功能对任何一种应用是必要的，因此不同光束线前的前端区设计没有原则上的区别， 故前端区均采用标准化和模块式设计和布置，其部件包括前后端光束挡板和快门、 真空阀、光栏、准直器、滤光器和光束位置监控器等。目前常用的光束位置监控器(BPM)有两种，一种叫碳素丝探针，另一种叫金刚石探测 板,，必须从前端区束的防护墙到实验站小屋(H utch)之间的光束线内安装线束设备, 由于各实验站对光源的要求不同，故光束线有各种不同的设计和功能,但也有共性， 其典型线束设备

17、包括透光元件、各种镜子、各种单色器、各种光束阀门以及与光 束线相联的真空、惰性气流管和各种冷却系统。3.2各种镜子3.2.1分束镜 物是金、铂和钉，也有不用覆盖物的镜子。在接近正入射时，一种介质界面的反射率固然低，但若有许多个平行反射面反射，且 让它们实现干涉相长，则也可以得到较高的反射率,这就是多层膜反射镜。多层膜 反射镜除了能改变光束方向以外,还有滤光作用,3.3、椭球面或抛物面。由于X射线的折射率略小于1,同步辐射束以极小的入射角入射到介质表面时，发 生全反射，其临界角大小与X射线光子能量成反比，鉴于工作波长很短，光子能量高, 入射角很小，因此反射镜表面的粗糙度引起的散射会造成很大的能量

18、损失，所以表 面粗糙度一般为0.10.5nm(RMS)，比工作在可见光波段要求提高12量级。 反射镜的面形有平面、大半径球面、柱面、抛物面、椭球面和超环面，面形误差常 用倾斜误差(SlopeError )来表示,要求为1lOyrad，换算成波像差来 九表示,面形精度要求在九/100。常用材料有熔凝石英、SiC、无氧铜、单晶硅和铝合金，日本常选用SiC作衬底，因 其硬度高,易加工成光滑表面,耐高温，不易变形，但价格贵，美国常选用GLID(种掺 杂铜)，其导热性很好。3.3光栅分光计其作用是使光束偏转而分裂光束，它位于光束线最前端，把前端区出口的一束光分为几束光。3.2.2反射镜 利用全反射原理制

19、成反射镜，满足折射定律：aa(1)n1sin1=n2sin2式中 n1,n2物质对入射线的折射率；a第一种物质的入射角;1a第二种物质的折射角。2当a时，光线被第 二种物质全部反射而不2=90进入第二种物质，这时al称为临界角ac,有：a)c=arcsin(n1为了从波长(能量)连续分布的同步辐射光取出单色或一定范围的辐射，必须使用分 光计或单色器。在VUV和软X射线波段一般使用光栅分光计，其工作原理根据的 是光栅方程，即：a+sinp)=KXd(sin当a1ac都出现全反射。由于同步辐射光是在真空中运行，所以n1=1故临界角简化为：a(3)c=arcsinn2在X射线波段,n略小于1,故当n

20、=0.9999,0.999和0.99时，则a,87.4。和81.90, 那 c=98.2么入射线对反射镜的掠射角分别为0.8。,2.6。和8.10。反射镜作用的优劣与它的反射能力R(a2)有关，而反射能力又取决于光子能量、入 射角、镜表面材料和表面平滑度等因素有关。作为反射镜的衬底材料有铜,SiC，熔 凝石英和浮玻璃等,最常用的覆盖式中d光栅的周期长；a,p入射线、反射线与反射面法线的夹角。a与反射由式(4)可知，当入射线的光程差dsin卩之和为入射波长的整数倍时，给光的光程差dsin出干涉极大，才能获得单色光。光栅单色器有一个从平面光栅到球面光栅的发展过程。331平面光栅把同步辐射近似看成平

21、行光，在平面光栅单色前应用一个既能转动又能平行放置的 平面前置镜，使光栅在出射方向保持最大的衍射效应，且能有效抑制高级谐波，用一 个后置抛物镜将光束聚焦于出31理但检g釘物理分册杨传铮:同步辐射的基本知识 第一讲 同步辐射光源的原理、构造和特征射狭缝。332球面光栅较早设计是符合Rowland图的光栅单色仪，从原理上讲，该仪器有较好的分辨率，但长波长扫描运动复杂。1984年陈连德 (C.T.Chen)等设计了环面光栅单色仪，它的波长扫描简单，有高光子通量和中等分辨 率。1987年陈连德提出Dragon软X射线光束线设计方案。在单色仪入缝和出缝 之间，光学元件仅用球面光栅，为了在各波长处都消除散

22、焦,要求光栅转动，高通量的 性能。3.4 图 2SaggttleDiffofdouble2，第二晶片绕0旋至2位置,双晶出射线从B处发出,也平行10,显然入射到试样上 的位置发生了平移。按照新设计的双晶机构,为使双晶出射线仍为BE,第二晶片必 须沿垂直方向和平行于第一晶片平移，在AAOB和AA0B中：ee=tan=tanM MABAB在硬X,其原理是0=九，当d固定后，连续波长的入射根据公式2dsin 线，取不同的Bragg角就能获得不同波长能量的X射线。同步辐射X射线晶体单色器，就晶体而言，多为完整锗、硅单晶，由于它们的峰反射 率近100%，因此是理想的单色器晶体,也有用GaAs，InSb，

23、热解石墨和石英晶体，特别 是弯曲晶体单色器多用石墨或石英。就晶体单色仪的构造而言，有单块弯晶单色器 和双晶单色器，双晶单色器又有（n，-n）和（n，+m ）排列的,前者是无色散的槽形双晶单 色器，后者是色散的两晶分离的单色器，分辨率较高。从实际应用中发现，当使用单块弯晶、槽形双晶和（n,m）双晶单色器时，试验中改变 波长虽然方便，但改变或不改变出射方向（弯晶时），都会改变出射位置，使得在同一 样品同一位置上进行试验发生困难。因此出现了 Saggttle双晶单色仪，其双晶机构 如图2所示。单色器为两块晶片，有公共的0M驱动，其旋转中心在第一晶体表面， 第二块晶体有平行和垂直于第一晶序表面的平移运

24、动,使光束到达固定出射方向和 位置0,M驱动能对第二晶体提供反馈系统，以保持两块晶体的平行排列,x调节供第 二晶片安装使用。0 例如,Si111，M=41.2。5.6。,能量可在 3.0 21keV=0.4130 0.0612n m）范围变化，为0 了扩展能量范围，可用Si333，15，能量M=30可在11.8522.98keV（0.10450.054nm）。图2示出Saggttle双晶单色器的衍射几 何示意图，当第一晶体处在1位置时，双晶出射线从第二晶体的B处发出，且平行于 第一晶体的入射线10;当第一晶体旋转到1位置时，如果是槽形双晶，则两，-jflr2则沿垂直方向的平移量OA-OA=AY

25、,沿平行方向的平移量AB-AB=-AX,为此晶片的尺度,具体为:弯铁引出:第一晶体宽60mm,长 44mm,厚 10mm;第二晶体宽 60mm,长 165mm,厚10mm。插入件引出:第一晶体宽4mm,长10mm,厚0.6mm;第二晶体宽4mm, 长 20mm,厚 0.6mm。分析晶体单色器的特性需用DuMond图来解九释，一个完整晶体的出射谱的分辨率A/X为：22(2)IPIIFhl=九nmcE式中IPI偏振修正因子；|Fh|结构因子的振幅。对于硅晶片的本征分辨为:Si(111 )的=1.2EAxlO-4;Si(333)的=5.6x10-5。E按照三维动力学DuMond图分析计算,其分辨率表

26、达式为：E=Acote+(mcnVc222IPIIFh卜A)l/2+(l+cos)|rh|2式中 Vc晶胞体积；非对称因子。Irhl 对于对称Bragg衍射射有:=1；对于非对称反Irhl（下转第47页）郭全英等:理但检验-物理分册离合器拨叉失效分析图9裂纹源上的缺陷Fig.9 Defect裂纹源区腐蚀产物脱落后的断口形貌Fig.10 Ruptureappearanceofsourceareaafter brushingofferodedoffspring可以看到,拨叉加，加上拨叉加强筋上端部材料内存在很多铸造时产生的显微裂纹和微空隙，裂纹 从裂纹源处起裂后,拨叉加强筋上端部就以快速、失稳的方

27、式断开。这样拨叉加强 筋上端部承载面积变小，承受应力增大。当加强筋以快速、失稳的方式断开后，又受到环境的腐蚀(图10是断口受腐蚀后，腐 蚀产物脱落的形貌)，加速了拨叉在工作应力作用下裂纹不断向前扩展的态势，当拨 叉所受应力大于承载能力时，整个零件就会瞬间断开，造成失效。积小的拨叉加强筋处开裂并不断向内扩展，当工作应力超过拨叉许用应力时发生瞬 间断裂而失效。参考文献：1 张峰.失效分析思路J.理化检验2物理分册,2005，41(3):158-161.2 徐益，程里.集装箱旋转锁轴失效分析J.理化检验2物理分册，2006,42(8):413-415.刘建勋，李壮，徐佩笔.铆螺钢冷镦中的裂纹分析J.

28、热加工工艺,2006,35(10):69-70.4孙银林.1525PH铸钢螺栓失效分析J.金属热处理，2006,31(6):78-79.钟群鹏，田永江.失效分析基础知识M.北京:机械工3结论拨叉发生疲劳断裂的原因是铸造缺陷、夹杂物 和杂质元素偏聚，在工作应力作用下，首先在承载面业出版社,1990. (上接第32页)a)|rh|cossin(G+xh(7) 参考文献：1 ChasmanR,GreenK.InProposalforNationalSyn2 chrotronRadiationR.PlewwetEd.,BrookhavenNationalLabReportNo.50595,1977.2

29、 PhilipJDuke.SynchrotronRadiationProductionand Properties,272PPM.Oxford:OxfordUniversityPress,2000.马礼敦，杨福家.同步辐射应用概论第二版M.上 式中X表示衍射面与晶片表面的夹角。对于掠出射排列,nR,x为正，对于掠入射排列,V X为负,人申和A分别为入射光束的垂直和水平n, 发散度，例如九=1.54xl0-10m(0.154nm),A申为 3.5mrad,A为 Si(111)反射的 X为 1.32时,2.9mrad,E为 4.5x10-5申为X为零时,AA为 5.8mrad,5.2mrad,为2.3x10-4。可见E海:复旦大学出版社,2005.4姜晓明，修立松.同步辐射及其应用M.北京:科学出非对称反射时，较小的发散度对应于较高的分辨率，掠出射排列可窄化光束,掠入射 排列可扩展光束。版社，1996.（未完待续）47 -