同步辐射光源及其特点

毕拉力·木乎提江， 阿力甫江·扎依提

（新疆师范大学物理与电子工程学院，新疆乌鲁木齐830054）

同步辐射光源及其特点

毕拉力·木乎提江， 阿力甫江·扎依提

（新疆师范大学物理与电子工程学院，新疆乌鲁木齐830054）

同步辐射光源的出现，被人称为是继X光光源、激光光源之后，在科技领域中又一次革命性的事件。这种光源本身，也经过了第一代、第二代、第三代三个重要时期的发展。第四代同步辐射光源现已开始使用，显示出无可比拟的优越性。文章简要回顾了同步辐射研究的历史，较详细介绍了同步辐射光源的光源结构、研究亮点。综述了SASE自由电子激光的历史发展，基本原理，基本结构和主要物理特征。

同步辐射光源；储存环；光源结构；加速器

在人类文明史上有四类光源对人们的生活产生着重大的影响。第一类光源是1879年美国发明家爱迪生发明的电光源。第二类光源是1895年德国科学家伦琴发现的X射线源。第三类光源是激光光源，发明于1960年。第四类光源是同步辐射光源。

同步辐射是接近光速运动的带电粒子在磁场中作变速运动时放出的电磁辐射。1947年在同步加速器上被观察到，因此被命名为同步辐射。1965年发明了储存环后同步辐射才开始走向实用。

同步辐射光源经历了四代的发展。第一代主要在20世纪70年代，在高能物理研究建造的电子加速器和存储环上运行。80年代出现的第二代光源是专门为同步辐射的应用而设计的。斯曼-格林阵列的采用标志着第二代同步辐射光源的出现。其特点是设置一些插入件使电子在运动过程中发生扭摆和波荡，从而发出更多的同步辐射，并因相互叠加而进一步加强。20世纪90年代开始大量出现的第三代光源的特征是为大量使用插入件而设计的低发射度存储环。世界上已有27个第三代同步辐射光源投入运行，其中日本Spring-8的能量最高，达到8GeV［1］。高增益自由电子激光作为性能优越的第四代光源，是最近十几年发展起来的最新一代先进光源。高增益自由电子激光主要工作原理分为四种，第一种是自放大自发辐射（Se1f-Amp1ified Spontaneous Emission，SASE）原理，2000年在美国阿贡国家实验室首次实现饱和出光［2］，第二种称为回声谐波（Echo-Enab1ed Harmonic Generation，EEHG）原理，由美国SLAC实验室的G.Stupako博士于2008年提出［3］，第三种被称为直接外种子型（Direct Seeding）原理，2008年前后由法国和日本联合在RIKEN/Spring-8实验室进行了实验验证［4］，第四种是高增益谐波产生（High Gain Harmonic Generation，HGHG）原理，2000年左右在美国布鲁克海文国家实验室得到实验验证［5］。

当前，新的高增益模式的提出仍是自由电子激光领域的研究前沿。中国的北京同步辐射实验室属于第一代同步辐射光源，合肥国家同步辐射实验室属于第二代同步辐射光源，上海光源属于第三代同步辐射光源，正在建设中的上海软X射线自由电子激光装置（简称SXFEL）为第四代同步辐射光源。2011年2月1日SXFEL项目建议书获得国家发展改革委批复，SXFEL项目正式进入可行性研究阶段。

1 同步辐射光源的基本结构

第三代同步辐射光源装置由电子注入器、电子输运线、存储环、插人装置、同步辐射束线室和实验站等六部分组成。

世界上很多国家正在进一步研究着第四代同步辐射光源的不同工作原理，以下给出了比较成熟的最常见的两种第四代同步辐射光源的基本结构。

典型的SASE FEL的结构如图1所示［6］。SASE FEL是单程高增益辐射，不需要反射镜，结构简单。因此现有（已建或在建）的X射线波段FEL装置均采用这种方案。

图1 自放大自发辐射自由电子激光的结构示意图

放大器FEL也称为有种子激光驱动的FEL（Seeded FEL），它由外加的种子激光与电子束一起进入波荡器发生作用。最典型的有所谓的HGHG（High Gain Harmonic Generation）和EEHG（Echo Enab1ed Harmonic Generation）FEL。

典型的HGHG FEL结构如图2所示。HGHG FEL由两段波荡器及一个色散段组成，第一段波荡器称为调制器（modu1ator），第二段波荡器称为辐射段（radiator）。

图2 放大器型自由电子激光的结构示意图

2 同步辐射光源的特点

2.1 第三代同步辐射光源的特点

2.1.1 频谱分布宽广

同步辐射光的谱范围是由弯转半径和加速器中的电子的能量来决定的。波长分布是连续的，分布范围从红外到硬X射线波段，如图3所示，是目前唯一能得到高亮度又覆盖宽的频谱范围的光源。

图3 各种电磁波的波长范围

2.1.2 高亮度

亮度是普遍使用的衡量光源的一个重要指标。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。用实验室X射线光源获得一幅晶体缺陷结构的形貌照片要用很长时间，但用同步辐射光源来拍摄同样的照片仅需几秒至几十秒，工作效率提高了几万倍。光源亮度B的计算公为：

B为光源亮度，F为光子通量，εSX和εSy为光源发射度。

2.1.3 高偏振度

光的偏振性是由其电矢量的取向决定的。在圆形的平面轨道上运动的电子发出的辐射的电矢量总是在该轨道平面上指向圆心，如图4（a）。如果观察点在轨道平面内，Ψ=0，则看到的电矢量的变化是在一根线上，故观察到的辐射是线偏振的。如果观察点不在平面上，Ψ＞0或Ψ＜0，则观察到的电矢量是在一个椭圆内变动，是为椭圆偏振光，一为左旋，一为右旋，如图4（b）。

图4 同步辐射的偏振性

2.1.4 高准直性

同步辐射是电子在做曲线运动时沿轨道的切线方向发出的电磁辐射，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，是一种近平行的光，垂直张角计算公式为：

比如，北京同步辐射装置在2.2GeV运行时，其垂直张角仅为0.5秒。

2.1.5 时间结构

一个电子在圆形轨道上运动，同时发出辐射，在某一固定点接收同步辐射并不是每时每刻都能接收到辐射的。从观察点作电子轨道的切线，设切点为a，则只有电子在a附近一个极小的范围内发射的辐射才能被接收到，这是一个极短的辐射脉冲，可以算得这一极短的时间间隔Δt。

2.1.6 可计算性

同步辐射的发光机制完全由基本物理规律主宰，无须考虑介质密度涨落、温度分布、化学纯度等难以精确测定的因素。因此可计算性明显优于一般光源。

2.2 第四代同步辐射光源的特点

第四代光源和第三代光源一样都是加速器技术的产物，但其特性都优于第三代光源。其峰值谱亮度比第三代同步辐射光源提高了近十个量级。使用超导加速器以后平均谱亮度会有更大幅度的提高。在横向上，X射线SASE是完全相干的，而第三代同步辐射光源只有部分相干性。第三代同步辐射光源基本上是自发辐射，在时间上几乎没有相干性，而第四代光源如SASE FEL通过受激放大产生，在时间上有一定的相干性。第三代同步辐射光源脉冲长度大约有几十个ps，而SASE的电子束流由直线加速器产生，经几次压缩后脉冲长度可以达到几百个fs。原则上讲SASE是单用户的，但可调的多脉冲结构使SASE也可以达到同时满足多用户的目的。第四代光源的波长连续可调并具有很好的偏振性。第四代光源的优点还很多，并且正在向更广阔应用领域上发展。

3 SASE自由电子激光

SASE自由电子激光发生的物理过程是电子束在波荡器中运动产生自发辐射，由于光场与电子束之间的滑移效应，电子不断和后面电子产生的辐射相互作用。自发辐射产生的光场对电子产生能量调制，经过一段波荡器后，能量调制转变为电子的密度调制，发生群聚。由于电子束密度分布存在随机涨落，因此有的噪声被不断放大，从而辐射加强，又使得此光场模式对应的群聚不断加强，此过程不断持续，使光场达到指数增益，最后由于电子能量偏离共振过多，能散过大而使光场出现饱和。由于SASE FEL是由噪声起振，因此在初始阶段辐射光场带宽比较大，纵向相干性比较差。随着SASE的增益不断提高，通过光场模式之间的竞争，逐渐选取出增益最大的光场模式，因此辐射带宽不断变窄，纵向相干性逐渐加强。

脉冲中所含有的纵向光场模式数目M可以由束团长度T与相干长度σ的比值来表征。

指数增益阶段的SASE FEL功率表示为：

Pin为有效初始噪声功率，它可以由一个功率长度L内的自发辐射功率近似。

SASE原则上可工作任意波段。现有的X射线波段FEL装置均采用这种方案，如：FLASH，LCLS，SCSS等。图5给出了欧洲XFEL装置示意图［7］。

图5 XFEL装置示意图

美国LCLS采用SASE FEL的方案，通过调节电子束能量可以产生1.5 nm到1.5Å的X射线辐射.LCLS直线加速器结构如图6所示。

电子束从光阴极微波电子枪发出后，经过预加速段Linac-0（L0）后由低能弯转段Dog1eg-1（DL1）送入直线段进行加速。再经过三个加速段（L1、L2及L3）和两个束团压缩器（BC-1和BC-2）后电子束由高能弯转段DL2送入波荡器大厅并在那里产生FEL辐射。

图6 LCLS直线加速器结构

4 同步辐射光源的应用

同步辐射光源将为研究物质的微观动态结构和各种瞬态的过程提供前所未有的手段和机会。为众多前沿学科领域的研究提供一种最先进又不可替代的工具。利用同步辐射实验技术能够开展众多学科的实验研究，应用领域非常广泛。

表1，表2中给出了同步辐射主要的实验方法和应用领域。

表1 同步辐射主要的应用领域

表2 同步辐射主要的实验方法

5 总结

短脉冲、时间相干、极化方向可调及多用户等成为第四代同步辐射光源未来所具备的特性。作为在硬X射线波段产生辐射并饱和的FEL装置，需要对未来进行规划，以顺应未来光源发展的要求，不断完善自己。比如，将LCLS从单一用户模式改为多用户模式，实现软、硬X射线同时运行等。希望我国的研究人员在不久的将来能够在第四代光源方面有所突破，使我国在这个领域达到世界先进水平。

［1］麦振洪，等.同步辐射光源及其应用［M］.北京：科学出版杜，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］耿会平.软X射线自由电子激光设计及相关物理研究［D］.硕士学位论文，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

毕拉力·木乎提江（1974-），男，新疆昌吉人，讲师，博士研究生，主要从事光学与实验教学方向的研究。