实验测量与理论计算的真空波荡器辐射光谱
硬X射线微聚焦及应用光束线站(BL15U1)是上海光源工程首批光束线站中,第一条进行调试的真空波荡器光束线站。2009年2月6日下午,科研人员完成了调束前准备工作,晚18:00开始正式调束,随即在光束线荧光靶和丝扫描探测器上分别观测到波荡器辐射光斑和光电流,21:30分在实验站铍窗出口处的电离室上探测到波荡器辐射的5.4 keV单色光(3次谐波),并扫描获得该能量下单色器摇摆曲线,实现了首轮调束目标。随后,科研人员连续奋战,测量了波荡器光源3-11次谐波辐射光谱,完成Cu的近边吸收谱的测量和单色器能量标定,测量了微量元素标准样品SRM610(500ppm)和SRM614(1ppm)的荧光谱。
BL15U1线站使用的真空波荡器由中国科学院上海应用物理研究所自行设计和研制,是国内第一台真空波荡器。真空波荡器是决定中能第三代同步辐射光源能否产生可与高能光源相比的硬X射线的重大关键设备,其结构复杂、工艺难度高,是集高精度磁体技术、超高真空技术、精密机械传动和控制技术等多项高技术于一体的光源设备。BL15U1线站使用的这台波荡器共80个磁周期,周期长度25mm,采用混合型磁体结构,最小工作磁间隙7mm,最大峰值磁场强度0.95T;波荡器为真空型结构,全部磁体和支撑梁处于超高真空环境中;机械传动采用磁列锥度可调、双电机驱动方案,通过控制系统操作实现上下磁列平行模式和锥度模式运行。上海光源首批线站使用的两台真空波荡器原计划整机从美国公司进口,由于该公司制造工期严重延误,为确保进度,上海光源工程经理部于2008年3月决定紧急启动自主研制两台真空波荡器的工作。工程经理部从各相关系统抽调技术骨干组成项目组,集中力量研制,经过设备调研、方案设计、工程设计与评审、非标设备制造和标准设备采购、设备总装和调试,仅用11个月的时间就完成了国内首台真空波荡器的研制,为最后工程节点的可控提供了保证。2009年1月28日,这台真空波荡器完成磁场、真空、机械与控制等性能测试,顺利安装到储存环上;2月3日完成现场准直、真空安装调试、电气安装和联合调试,2月4日调试出光。根据实测的辐射光谱进行优化后,光束线末端的探测器上已观察到波荡器高强度的11次高次谐波辐射,从实测强度归算出的波荡器相位误差约在4度的水平,达到预期目标。 BL15U1线站获得的Cu的近边吸收谱
同步辐射是由以接近光速运动的电子在磁场中作曲线运动改变运动方向时所产生的电磁辐射,其本质与中国日常接触的可见光和X光一样,都是电磁辐射。由于这种辐射是1947年在同步加速器上被发现的,因而被命名为同步辐射(Synchrotron radiation)。由于同步辐射造成的能量损失极大地阻碍了高能加速器能量的提高,因此在早期同步辐射被作为高能物理极力要排除的因素。后来,人们发现同步辐射具有常规光源不可比拟的优良性能,如高准直性,高极化性,高相干性,宽的频谱范围、高光谱耀度和高光子通量等。从70年代开始,发达国家逐步开展了同步辐射的应用研究,其卓越的性能为人们开展科学研究和应用研究带来了广阔的前景,因此在几乎所有的高能电子加速器上都建造了同步辐射线站,以及各种应用同步辐射光的实验装置。同步辐射光源自1947年代诞生以来,已有近60年的历史,随着应用研究工作不断深入,应用范围不断拓展,对同步辐射光源的要求也不断提高,并经历了三代的快速历史发展阶段。第一代同步辐射光源是寄生于高能物理实验专用的高能对撞机的兼用机,如北京光源(BSR)就是寄生于北京正负电子对撞机(BEPC)的典型第一代同步辐射光源;第二代同步辐射光源是基于同步辐射专用储存环的专用机,如合肥国家同步辐射实验室(HLS);第三代同步辐射光源是基于性能更高的同步辐射专用储存环的专用机,如上海光源(SSRF)。世界上已建成的第一代同步辐射光源有17台,第二代有23台,第三代有13台(包括中国台湾及韩国的各1台),正在建造和设计的第三代同步辐射光源有12台。预计到2010年前后,每天将有上万名科学家和工程师同时使用这些同步辐射光源,从事前沿学科研究和高新技术开发。
第一代、第二代、第三代同步辐射光源之间的最主要的区别,是在于作为发光光源的电子束斑尺寸或电子发射度的迥异。例如第二代的合肥同步辐射光源,其电子束发射度约150纳米弧度,而第三代的上海光源,其电子束发射度约4纳米弧度,二者相差近40倍,结果得到的光亮度差1600倍,近三个量级!另一显著差别是可使用的插入件的数量悬殊,第二代光源仅能安装几个插入件,而第三代光源可有十几个到几十个插入件。由于插入件产生的光较之弯转磁铁产生的光具有更高的亮度和更好的性能,可见插入件数量的多寡可直观地表征光源的性能的优劣。 :首批光束线站的科学目标先进,能够满足中国多个学科领域对同步辐射应用的迫切需要,并至少具有30年科学寿命。