同步輻射光源及其特點

畢拉力·木乎提江， 阿力甫江·扎依提

（新疆師范大學物理與電子工程學院，新疆烏魯木齊830054）

同步輻射光源及其特點

畢拉力·木乎提江， 阿力甫江·扎依提

（新疆師范大學物理與電子工程學院，新疆烏魯木齊830054）

同步輻射光源的出現(xiàn)，被人稱為是繼X光光源、激光光源之后，在科技領域中又一次革命性的事件。這種光源本身，也經(jīng)過了第一代、第二代、第三代三個重要時期的發(fā)展。第四代同步輻射光源現(xiàn)已開始使用，顯示出無可比擬的優(yōu)越性。文章簡要回顧了同步輻射研究的歷史，較詳細介紹了同步輻射光源的光源結構、研究亮點。綜述了SASE自由電子激光的歷史發(fā)展，基本原理，基本結構和主要物理特征。

同步輻射光源；儲存環(huán)；光源結構；加速器

在人類文明史上有四類光源對人們的生活產(chǎn)生著重大的影響。第一類光源是1879年美國發(fā)明家愛迪生發(fā)明的電光源。第二類光源是1895年德國科學家倫琴發(fā)現(xiàn)的X射線源。第三類光源是激光光源，發(fā)明于1960年。第四類光源是同步輻射光源。

同步輻射是接近光速運動的帶電粒子在磁場中作變速運動時放出的電磁輻射。1947年在同步加速器上被觀察到，因此被命名為同步輻射。1965年發(fā)明了儲存環(huán)后同步輻射才開始走向?qū)嵱谩?/p>

同步輻射光源經(jīng)歷了四代的發(fā)展。第一代主要在20世紀70年代，在高能物理研究建造的電子加速器和存儲環(huán)上運行。80年代出現(xiàn)的第二代光源是專門為同步輻射的應用而設計的。斯曼-格林陣列的采用標志著第二代同步輻射光源的出現(xiàn)。其特點是設置一些插入件使電子在運動過程中發(fā)生扭擺和波蕩，從而發(fā)出更多的同步輻射，并因相互疊加而進一步加強。20世紀90年代開始大量出現(xiàn)的第三代光源的特征是為大量使用插入件而設計的低發(fā)射度存儲環(huán)。世界上已有27個第三代同步輻射光源投入運行，其中日本Spring-8的能量最高，達到8GeV［1］。高增益自由電子激光作為性能優(yōu)越的第四代光源，是最近十幾年發(fā)展起來的最新一代先進光源。高增益自由電子激光主要工作原理分為四種，第一種是自放大自發(fā)輻射（Se1f-Amp1ified Spontaneous Emission，SASE）原理，2000年在美國阿貢國家實驗室首次實現(xiàn)飽和出光［2］，第二種稱為回聲諧波（Echo-Enab1ed Harmonic Generation，EEHG）原理，由美國SLAC實驗室的G.Stupako博士于2008年提出［3］，第三種被稱為直接外種子型（Direct Seeding）原理，2008年前后由法國和日本聯(lián)合在RIKEN/Spring-8實驗室進行了實驗驗證［4］，第四種是高增益諧波產(chǎn)生（High Gain Harmonic Generation，HGHG）原理，2000年左右在美國布魯克海文國家實驗室得到實驗驗證［5］。

當前，新的高增益模式的提出仍是自由電子激光領域的研究前沿。中國的北京同步輻射實驗室屬于第一代同步輻射光源，合肥國家同步輻射實驗室屬于第二代同步輻射光源，上海光源屬于第三代同步輻射光源，正在建設中的上海軟X射線自由電子激光裝置（簡稱SXFEL）為第四代同步輻射光源。2011年2月1日SXFEL項目建議書獲得國家發(fā)展改革委批復，SXFEL項目正式進入可行性研究階段。

1 同步輻射光源的基本結構

第三代同步輻射光源裝置由電子注入器、電子輸運線、存儲環(huán)、插人裝置、同步輻射束線室和實驗站等六部分組成。

世界上很多國家正在進一步研究著第四代同步輻射光源的不同工作原理，以下給出了比較成熟的最常見的兩種第四代同步輻射光源的基本結構。

典型的SASE FEL的結構如圖1所示［6］。SASE FEL是單程高增益輻射，不需要反射鏡，結構簡單。因此現(xiàn)有（已建或在建）的X射線波段FEL裝置均采用這種方案。

圖1 自放大自發(fā)輻射自由電子激光的結構示意圖

放大器FEL也稱為有種子激光驅(qū)動的FEL（Seeded FEL），它由外加的種子激光與電子束一起進入波蕩器發(fā)生作用。最典型的有所謂的HGHG（High Gain Harmonic Generation）和EEHG（Echo Enab1ed Harmonic Generation）FEL。

典型的HGHG FEL結構如圖2所示。HGHG FEL由兩段波蕩器及一個色散段組成，第一段波蕩器稱為調(diào)制器（modu1ator），第二段波蕩器稱為輻射段（radiator）。

圖2 放大器型自由電子激光的結構示意圖

2 同步輻射光源的特點

2.1 第三代同步輻射光源的特點

2.1.1 頻譜分布寬廣

同步輻射光的譜范圍是由彎轉(zhuǎn)半徑和加速器中的電子的能量來決定的。波長分布是連續(xù)的，分布范圍從紅外到硬X射線波段，如圖3所示，是目前唯一能得到高亮度又覆蓋寬的頻譜范圍的光源。

圖3 各種電磁波的波長范圍

2.1.2 高亮度

亮度是普遍使用的衡量光源的一個重要指標。同步輻射光源的亮度比實驗室X射線光源連續(xù)譜部分強106—1011倍。用實驗室X射線光源獲得一幅晶體缺陷結構的形貌照片要用很長時間，但用同步輻射光源來拍攝同樣的照片僅需幾秒至幾十秒，工作效率提高了幾萬倍。光源亮度B的計算公為：

B為光源亮度，F(xiàn)為光子通量，εSX和εSy為光源發(fā)射度。

2.1.3 高偏振度

光的偏振性是由其電矢量的取向決定的。在圓形的平面軌道上運動的電子發(fā)出的輻射的電矢量總是在該軌道平面上指向圓心，如圖4（a）。如果觀察點在軌道平面內(nèi)，Ψ=0，則看到的電矢量的變化是在一根線上，故觀察到的輻射是線偏振的。如果觀察點不在平面上，Ψ＞0或Ψ＜0，則觀察到的電矢量是在一個橢圓內(nèi)變動，是為橢圓偏振光，一為左旋，一為右旋，如圖4（b）。

圖4 同步輻射的偏振性

2.1.4 高準直性

同步輻射是電子在做曲線運動時沿軌道的切線方向發(fā)出的電磁輻射，利用同步輻射光學元件引出的同步輻射光具有高度的準直性，是一種近平行的光，垂直張角計算公式為：

比如，北京同步輻射裝置在2.2GeV運行時，其垂直張角僅為0.5秒。

2.1.5 時間結構

一個電子在圓形軌道上運動，同時發(fā)出輻射，在某一固定點接收同步輻射并不是每時每刻都能接收到輻射的。從觀察點作電子軌道的切線，設切點為a，則只有電子在a附近一個極小的范圍內(nèi)發(fā)射的輻射才能被接收到，這是一個極短的輻射脈沖，可以算得這一極短的時間間隔Δt。

2.1.6 可計算性

同步輻射的發(fā)光機制完全由基本物理規(guī)律主宰，無須考慮介質(zhì)密度漲落、溫度分布、化學純度等難以精確測定的因素。因此可計算性明顯優(yōu)于一般光源。

2.2 第四代同步輻射光源的特點

第四代光源和第三代光源一樣都是加速器技術的產(chǎn)物，但其特性都優(yōu)于第三代光源。其峰值譜亮度比第三代同步輻射光源提高了近十個量級。使用超導加速器以后平均譜亮度會有更大幅度的提高。在橫向上，X射線SASE是完全相干的，而第三代同步輻射光源只有部分相干性。第三代同步輻射光源基本上是自發(fā)輻射，在時間上幾乎沒有相干性，而第四代光源如SASE FEL通過受激放大產(chǎn)生，在時間上有一定的相干性。第三代同步輻射光源脈沖長度大約有幾十個ps，而SASE的電子束流由直線加速器產(chǎn)生，經(jīng)幾次壓縮后脈沖長度可以達到幾百個fs。原則上講SASE是單用戶的，但可調(diào)的多脈沖結構使SASE也可以達到同時滿足多用戶的目的。第四代光源的波長連續(xù)可調(diào)并具有很好的偏振性。第四代光源的優(yōu)點還很多，并且正在向更廣闊應用領域上發(fā)展。

3 SASE自由電子激光

SASE自由電子激光發(fā)生的物理過程是電子束在波蕩器中運動產(chǎn)生自發(fā)輻射，由于光場與電子束之間的滑移效應，電子不斷和后面電子產(chǎn)生的輻射相互作用。自發(fā)輻射產(chǎn)生的光場對電子產(chǎn)生能量調(diào)制，經(jīng)過一段波蕩器后，能量調(diào)制轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮拥拿芏日{(diào)制，發(fā)生群聚。由于電子束密度分布存在隨機漲落，因此有的噪聲被不斷放大，從而輻射加強，又使得此光場模式對應的群聚不斷加強，此過程不斷持續(xù)，使光場達到指數(shù)增益，最后由于電子能量偏離共振過多，能散過大而使光場出現(xiàn)飽和。由于SASE FEL是由噪聲起振，因此在初始階段輻射光場帶寬比較大，縱向相干性比較差。隨著SASE的增益不斷提高，通過光場模式之間的競爭，逐漸選取出增益最大的光場模式，因此輻射帶寬不斷變窄，縱向相干性逐漸加強。

脈沖中所含有的縱向光場模式數(shù)目M可以由束團長度T與相干長度σ的比值來表征。

指數(shù)增益階段的SASE FEL功率表示為：

Pin為有效初始噪聲功率，它可以由一個功率長度L內(nèi)的自發(fā)輻射功率近似。

SASE原則上可工作任意波段。現(xiàn)有的X射線波段FEL裝置均采用這種方案，如：FLASH，LCLS，SCSS等。圖5給出了歐洲XFEL裝置示意圖［7］。

圖5 XFEL裝置示意圖

美國LCLS采用SASE FEL的方案，通過調(diào)節(jié)電子束能量可以產(chǎn)生1.5 nm到1.5?的X射線輻射.LCLS直線加速器結構如圖6所示。

電子束從光陰極微波電子槍發(fā)出后，經(jīng)過預加速段Linac-0（L0）后由低能彎轉(zhuǎn)段Dog1eg-1（DL1）送入直線段進行加速。再經(jīng)過三個加速段（L1、L2及L3）和兩個束團壓縮器（BC-1和BC-2）后電子束由高能彎轉(zhuǎn)段DL2送入波蕩器大廳并在那里產(chǎn)生FEL輻射。

圖6 LCLS直線加速器結構

4 同步輻射光源的應用

同步輻射光源將為研究物質(zhì)的微觀動態(tài)結構和各種瞬態(tài)的過程提供前所未有的手段和機會。為眾多前沿學科領域的研究提供一種最先進又不可替代的工具。利用同步輻射實驗技術能夠開展眾多學科的實驗研究，應用領域非常廣泛。

表1，表2中給出了同步輻射主要的實驗方法和應用領域。

表1 同步輻射主要的應用領域

表2 同步輻射主要的實驗方法

5 總結

短脈沖、時間相干、極化方向可調(diào)及多用戶等成為第四代同步輻射光源未來所具備的特性。作為在硬X射線波段產(chǎn)生輻射并飽和的FEL裝置，需要對未來進行規(guī)劃，以順應未來光源發(fā)展的要求，不斷完善自己。比如，將LCLS從單一用戶模式改為多用戶模式，實現(xiàn)軟、硬X射線同時運行等。希望我國的研究人員在不久的將來能夠在第四代光源方面有所突破，使我國在這個領域達到世界先進水平。

［1］麥振洪，等.同步輻射光源及其應用［M］.北京：科學出版杜，2013.

［2］S.Mi1ton et a1.Exponentia1gain and saturation of a se1f-amp1ified spontaneous emission free-e1ectron 1aser［J］.Science，2001，（292）：2037-2041.

［3］G.Stupakov.Using the beam-echo effect for generation of short-wave1ength radiation［J］.Phys.Rev.Lett，2009，102：074801.

［4］G.Lambert，T.Hara et a1.Injection of harmonics generated in gas in a free-e1ectron 1aser providing intense and coherent extreme-u1travio1et 1ight［J］.Nature Physics，2008：296.

［5］L.H.Yu et a1.First u1travio1et high-gain harmonic-generation free-e1ectron 1aser［J］.Phys.Rev.Lett，2003，（91）：074801.

［6］耿會平.軟X射線自由電子激光設計及相關物理研究［D］.碩士學位論文，2010.

［7］Kwang-Je Kim and Zhirong Huang.Present status of-Ray fe1sz［J］.AIP Conf.Proc，2001，（185）：581.

Synchrotron Radiation Light Source and its Technical Development

Bilali·MUHUTlJlANG， Alifu·SHAWUTl
（College of Physics and Electronics Engineering，Xinjiang Normal University，Urumqi，Xinjiang，830054，China）

Synchrotron radiation 1ight source，known as the X-ray 1ight source，1aser 1ight source，in the fie1d of science and techno1ogy is a revo1utionary events.The 1ight source，has been through the first generation，second generation，the third generation of three important stages of deve1opments.The fourth generation synchrotron radiation 1ight source is now starting to use，There is nothing wi11be comparab1e to this superiority.In this paper，The history of synchrotron radiation is 1ooked back brief1y at first，then the 1ight source structure and science high1ights of synchrotron radiation 1ight source are given in some detai1.The history of SASE deve1opment，basic princip1e，basic structure and main physica1characteristics are introduced.

Synchrotron radiation source；Storage ring；SRS structure；Acce1erator

O43

A

1008-9659（2015）04-053-06

2015-10-15

畢拉力·木乎提江（1974-），男，新疆昌吉人，講師，博士研究生，主要從事光學與實驗教學方向的研究。