§3.9同步辐射和FEL

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1、§7.2同步辐射和自由电子激光人们对物质结构每一层次的探索都创造出巨大的生产力，对电磁波谱每一波段的开发都把科学技术推进一大步:·l＞10cm波段的开发®现代无线电技术，广播、电视、远程通讯。1·微波波段的开发®雷达、导航、射频加速器技术迅速发展促进了波谱学、核物理、航天科学的发展。·x射线波段的开发®透视、探伤、集成电路光刻，促进了晶体学、医学、计算机科学的发展。·激光技术开发了红外—紫外的强电磁波源®激光手术，激光加工，激光通讯……。2·同步辐射和自由电子激光则是下一代的激光，它们大大促进了表面物理，光化学，光生物学，形貌术，血管造影等的发展并开辟出新的科学研究领域

2、，谁掌握了新的电磁波资源谁就掌握了新的科学技术手段，并开辟出新的科学技术领域。31947年4月16日，美国通用电气公司的实验室在调试能量为70MeV的电子同步加速器时，偶然看到加速器里有强烈“蓝白色的弧光”，光的颜色随电子的能量变化而变化：当电子能量降到40兆电子伏时，光变为黄色；降到30兆电子伏时，变为红色且强度变弱；降到20兆电子伏时，就什么也看不见了。一.同步辐射(SynchrotronRadiation)41,原理带电粒子有加速度时就会放出电磁辐射qv带电粒子(流)以恒定速度运动,相当于稳恒电流,产生恒定的磁场若有加速度产生变化的磁场感应出变化的电场产生电

3、磁辐射这种由同步加速器中的电子辐射的电磁波称为“同步加速器辐射”，简称“同步辐射”。5电荷q，加速度a,在与成q角方向上的单位立体角内的辐射功率为rav,aqqddpdqacSinPSinW==2220320216peqq(1)对4p空间积分得辐射的总功率为：(2)pdEdtqac==æèçöø2342203pe6通常遇到的有三种典型情况:偶极辐射——轫致辐射——X射线的连续谱同步辐射——环形轨道上加速电子，转圈，有向心加速度，放出辐射。19世纪末林纳德等人就提出这将是一种很强的辐射源。1947年FloydHaber首次在70MeV的同步加速器上观察到这种辐射。

4、无线电天线av7电子能量很高考虑相对论，()Pqac=æèçöø-23411220322peb在轨道平面内，取q为相对于rv的夹角()()520cos1cosqbbq--=WPddpb®0时，rrav^时在pdEdtqac==æèçöø2342203pedpdqacSinPSinW==2220320216peqqav过渡到非相对论情况8q=0o时，dpdPW=-¾®¾¾¥®0311()bbcoscosqbqb==±-，1=0时，dpdW=0辐射向前方发射原因：动量守恒，加速的能量动量为光子带走2q0()()520cos1cosqbbq--=WPddp92,特点A.能

5、谱范围宽可从红外到x射线产生连续谱，峰值和电子能量有关，特征波长lcA()o：lcARE().o=5593R：电子轨道半径(m)，E：电子能量(GeV)cl)(oA2.5Gev10.70.4110102103104λN10B.方向性好q0轨道平面内的半张角，cosqb0=gbq/1/1220==-=EcmeEMeVrad===510100000010，，gq.BEPCEGeV：，==¢¢¢2821150.q离光源几十米也可得高强度的小光斑q01b2q011C.高功率高亮度()Pqac=æèçöø-23411220322pebEmce=-2121()/b2avRcR==2

6、22b环形电流IvqR=2p，avRvcRIR242332==µb()b»1E412可得:PEIR=88474./单位：Pkw-，EGeV-，IA-，Rm-，若E=1GeV，R=3.33m，I=0.5A,P=13.3kw超大功率X光管P»10w同步辐射发光点小(mm2),功率大,亮度高北京同步辐射装置的辐射功率可达6万瓦合肥的同步辐射装置的辐射功率为6千瓦13D.脉冲光源，有特定的时间结构在加速器储存环中电子以束团形式运动。电子束团长度决定了光脉冲的宽度。环形加速器的周长则决定了脉冲的周期，对于1个周长为L的加速器，由于能量为GeV量级，电子的速度已十分接近光速，所

7、以脉冲周期为T=L/c。如果电子束团长度为S，则脉冲的持续时间，即脉冲宽度为t=S/c。14北京同步辐射装置：周长=240.4米，假设只有一个束团运行，束团长S=3厘米脉冲周期T=0.8微秒脉冲宽度τ=0.1纳秒t=100psT=0.8ms利用特定的时间结构可以研究物质的动态和瞬态过程。如在生命科学中为对细胞进行活体动态研究，可利用脉冲光把动态变化的照片一幅幅拍下来。15E.高度偏振在电子轨道平面内是线偏振光，有利于研究各向异性的物质结构。F.高稳定度强度稳定，发光点位置稳定，重复性好。例如T=0.8微秒，则在8微秒中可拍10张照片，因