同步辐射

 

　　高能粒子特别是高能电子，在磁场中作回旋运动时，沿切线方向发出的一种光辐射，又称同步加速器辐射。同步辐射是一种用途广泛的强光源。（见辐射）
　　概述 　根据电动力学理论，带电粒子作加速运动时，会以电磁波的形式辐射能量。20世纪40年代，人们观察到电子在电子同步加速器中作回旋运动时发出辐射的现象。由于当时加速器的能量很低，释放出来的同步辐射的能量和强度也都比较低，所以没有什么实际用途。随着电子同步加速器能量的提高，这种辐射也就增强。在电子同步加速器中，同步辐射强度与电子能量的四次方成正比，并与加速器半径的平方成反比。显然，同步辐射对进一步提高这种类型的加速器的能量是一个不利因素。然而这种不利因素却为人们提供了一种具有重要应用价值的新型光源。
　　1961年美国国家标准局改造了它的 1.8亿电子伏的电子同步加速器作同步辐射用，并成功地用同步辐射研究了气体的吸收光谱，从而在国际上引起使用同步辐射的兴趣。随后，意大利、联邦德国、苏联和瑞典等国也相继开展了同步辐射的应用研究。
　　装置 　产生同步辐射的设备有两种：①对于高能物理实验来讲，能量过低的“退役”的加速器；②专门用于产生同步辐射的电子加速器或电子储存环，电子储存环是一种较长时间（从几小时到几十小时）储存并积累高能量电子，以便实现对撞的环形装置，又称为光子工厂。
　　特性 　与一般光源相比，同步辐射光源有如下特点：①光谱连续且范围宽，由于同步辐射是非束缚态电子的辐射，所以它的光谱是连续的，从远红外、可见光、紫外直到硬X射线（10⁴～10^-1埃)。②辐射强度高，在真空紫外和X射线波段，能提供比常规 X射线管强度高10³～10⁶倍的光源，相当于几平方毫米面积上有100千瓦的能流。③高度偏振，同步辐射在电子轨道平面内是完全偏振的光，偏振度达 100％；在轨道平面上下是椭圆偏振；在全部辐射中，水平偏振占75％。④具有脉冲时间结构，同步辐射是一种脉冲光，脉冲宽度为0.1～1纳秒，脉冲间隔为微秒量级（单束团工作）或几纳秒到几百纳秒范围内可调（多束团工作）。⑤高度准直，能量大于10亿电子伏的电子储存环的辐射光锥张角小于1毫弧度,接近平行光束，小于普通激光束的发射角。⑥洁净的高真空环境,由于同步辐射是在超高真空(储存环中的真空度为10^-7～10^-9帕)或高真空（10^-4～10^-6帕）的条件下产生的，不存在普通光源中的电极溅射等干扰，是非常洁净的光源。⑦波谱可准确计算，其强度、角分布和能量分布都可以精确计算。
　　应用 　同步辐射在基础科学、应用科学和工艺学等领域已得到广泛应用：①近代生物学，例如测定蛋白质的结构和蛋白质的分子结构,通过X射线小角散射可研究蛋白质生理活动过程和神经作用过程等的动态变化，通过 X射线荧光分析可测定生物样品中原子的种类和含量，灵敏度可达10^-9克／克。②固体物理学,可用于研究固体的电子状态、固体的结构、激发态寿命及晶体的生长和固体的损坏等动态过程。③表面物理学和表面化学，可用于研究固体的表面性质，如半导体和金属表面的光特性；物质的氧化、催化、腐蚀等过程的表面电子结构和变化。④结构化学，可用于测定原子的配位结构、大分子之间的化学键参数等，如对催化剂、金属酶的结构测定。⑤医学，可用于肿瘤的诊断和治疗，如测定血液内一些元素的含量、血管造影、诊断人体内各种肿瘤和进行微型手术以除去人体特殊部位的一些异常分子等。⑥光刻技术，由于衍射效应，普遍采用的紫外线光刻的最小线宽约2微米，而同步辐射光近似平行光束,用于光刻时其线宽可降至20埃，使分辨率提高几个数量级；这对计算机、自动控制和光通信技术等意义重大。
　　参考书目
　H. Winick,Synchrotron Radiation, Plenum Press,New York, 1985.

 

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