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1.3同步辐射的特性

2012-06-07 13:58阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/1783740791

本节将主要介绍同步辐射的特性：

同步辐射光源发射出来的光谱具有如下的特性：
（1）高强度
（2）高亮度
（3）高准直性
（4）光谱连续
（5）具有特定的脉冲时间结构
（6）具有一定的偏振性
（7）光谱极洁净
（8）高稳定性
（9）可计算性

下面对上述特性一一作阐述：
（1）高强度
单个电子在磁场作用下沿弯转轨道飞行，其瞬时辐射功率可以写为：

1.3同步辐射的特性


其中是β电子的相对论性速度v/c，γ是电子相对论性能量 1.3同步辐射的特性，ρ是电子飞行轨道曲率半径。如果不考虑公式的常数和系数，那么我们可以发现（i）只有相对论性带电粒子才能发射出相对较高的辐射；（ii）如果轨道恒定，ρ保持不变，那么辐射功率正比于粒子能量E的四次方；（iii）能量为E的相对论性电子受到与其速度垂直的磁场B的作用，电子的同步辐射瞬时功率正比于E和B的平方。
采用这种方式的得到的同步辐射功率比常规X射线光源强很多，有的同步辐射光源的辐射功率可达几十甚至几百千瓦。
（2）高亮度
亮度指的是光子密度，其单位是单位时间、单位立体角、单位面积、0.1%带宽内辐射的光子数（photos/s/mrad2/mm2/0.1%BW）。
一般情况下，弯铁发射出来的同步辐射光谱亮度是常规X射线装置发射出来的光谱亮度的百万倍以上。
(3)高准直性
在实验室坐标系中，相对论性电子发射的光子集中在一个很小的圆锥面内，圆锥的顶角对应于发光的电子，其半顶角非常小：
1.3同步辐射的特性
半顶角的意义是指辐射功率基本只存在于它的半顶角的“光锥”之内，在半顶角内，辐射能流密度十分集中，不仅因为坐标变换把所有向前的光线都“压缩”到了这个圆锥之内，还因为动量合成的结果使光锥面内的光辐射拥有更高的能量。实际上，半顶角空间内的同步辐射功率约占到了总功率的85%，而在半顶角之外辐射功率很快下降。
（4）光谱连续
 所谓的光谱连续指的是同步辐射发射出来的同步辐射光谱（a）频谱分布非常广；（b）频谱是连续的，虽然周期性信号似乎应该有分离型频谱，但是相邻谱线之间的频率差与有效总频谱宽相比小到无法分辨，因此，我们认为是“连续谱”；（c）不存在与能级跃迁相似的特殊谱线，即频谱是平滑的；（d）以为 1.3同步辐射的特性代表的频段是该频谱的标志性高频段，次频段的辐射必有足够大的功率，随着电子能量E的增加，高频段的频率上升很快。
（5）具有特定的脉冲时间结构
电子因为同步辐射损失的能量要由高频加速电场补充，这种电场的强度随时间变化，只有总在恰当的时刻穿过电场的电子才能获得恰如其分的加速，保持能量基本不变，长期存在于同步辐射储存环内。因此，在轨道上飞行的电子绝不是恒定的“直流”，而是分别聚集成若干个不相连续的“束团”。置身于轨道切线的远端的同步辐射观察者，看到的是许多彼此分断的光子脉冲。
同步辐射脉冲的时间结构取决于储存环中的电子诉团的分布情况，脉冲宽度大致等于束团的长度。每个束团一般几个厘米，而电子在储存环中以接近光速的速度运动，因此每个光子脉冲的持续时间非常短暂，在0.1ns量级，利用特殊技术可以使之变得更短。脉冲间隔（周期）则等于相邻束团之间的距离，可长可短，最短的是高频电场的变化周期，多为几个ns，最长的是电子回旋周期（全环仅一个束团），多在0.1到几个ms。储存环电子束团的脉冲性时间结构特性使得同步辐射装置成为研究某些动态过程的最佳工具，特别适合于观察受光辐射激发过程。
（6）具有一定的偏振性
同步辐射具有天然的偏振性能，同步辐射发射出来的同步辐射光是偏振光，其电矢量振动主要在与弯转轨道平面平行的方向上。同步辐射的偏振性不仅依赖于观察角，也因波长不同而异。波长越短即光子能量越高，光束张角必然越小，有效轨道平面夹角区间也就越小，偏振性也就越高。波长越长相应的偏振性也就越小。
（7）光谱极洁净
常规光源一般是利用某种发光介质，使之受热、被电子或射线轰击，然后以发光的形式释放能量。如果介质中含有杂质，即使含量极少，光谱中就会明显的见到杂质的特征谱线，与原发光介质的特征谱线混杂在一起。也就是说常规光源的光谱纯度一般不高，光被杂质“污染”了。
而同步辐射产生的原理与之不同，它本身由不受束缚的电子发出，不与物质发生相互作用。为了光源稳定运行，电子运动必须处于约10-9torr的超高真空环境中，这样得到的就是极其洁净的光谱。
（8）高稳定性
（9）可计算性
同步辐射的光子通量、光谱分布和角分布等特性都可以用公式计算，而且实测数值与理论公式计算的结果十分吻合。同步辐射特性的可计算性明显优于一般的光源，主要原因是同步辐射的发光机制特别“简单”，只涉及高能电子及其在磁场中的运动。这种情况下只需要考虑最基本的物理规律，无须考虑诸如介质密度涨落、化学纯度、温度分布等一类难以计算的因素。

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