北京同步辐射1W2扭摆磁铁的光谱特性和物理设计

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1、http://www.paper.edu.cn北京同步辐射1W2扭摆磁铁的光谱特性和物理设计1,22付召平刘鹏1兰州大学核科学与技术学院兰州，甘肃7300002中科院高能物理研究所北京同步辐射实验室北京100049摘要:本文叙述了同步辐射光源的扭摆器的基本工作原理及产生偏振同步光的物理机理，以及北京同步辐射装置的光谱扭摆磁铁的同步辐射光谱特性和物理设计。关键词：同步辐射，扭摆器，光束线1引言由于同步辐射光具有高准直性、高亮度、波长连续可调等优异的光学特性，因而被广泛应用于物理、化学、生物、材料学科的研究。近

2、年来，随着生物工程、基因组研究、材料、医药等领域的需求日益增加，具有良好相干特性的偏振同步辐射光得到了愈来愈多的重视和应用。2004年北京同步辐射实验室开始在储存环一区新建Wiggler插入件1W2，并计划引出两条新的光束线——BSRF的第二条生物大分子束线（1W2B）以及小角散射光束线（1W2A）。本文内容将对插入件基本工作原理及产生偏振同步光的物理机理，以及北京同步辐射装置的1W2（Wiggler）光谱扭摆磁铁的同步辐射光谱特性和物理设计。一插入件1.1插入件定义如图1所示，插入件（InsertionD

3、evice）是由一组极性交替变化按周期排列的二极磁铁组成，其周期数为N，周期长度为λ0。如图2所示，当电子通过扭摆磁铁时，将随磁场发生周期性扭摆，近似为正弦曲线的轨道运动。这里取直角坐标系，磁场方向为y，束流轨道水平偏移为x，束流方向为z，则插入件的轨道磁场强度可以表示为：B（z）＝B0sin（2πz/λ0）（1）图1插入件磁路排列平面图图2插入件及电子运动轨道立体图1http://www.paper.edu.cn当磁场强度沿插入件方向的一次和二次剩余积分值为零时，电子通过扭摆磁铁后不改变其运动方向和位置，

4、所以不会干扰电子在环中的稳定运动。1.2插入件种类插入件的性能由偏转因子K描述，它表示电子偏转角的大小，而电子偏转角的大小直接决定了其同步辐射的光谱性质，偏转因子K和电子偏转角δ分别定义为：K=eB0λ0/2πmc=0.934λ0[cm]B0[T](2)δ=K/γ(3)γ是电子能量和静止质量之比。当K>1时称为扭摆磁铁（wiggler），K<1时称为波荡器。扭摆磁铁的场强较高，束流通过扭摆磁铁时，运动轨道的曲率半径较小，各极之间的辐射不具有相干性，但各极发出的辐射谱是连续谱。波荡器产生的同步辐射光与扭摆器不

5、同，是相干光，其光谱是不连续的。二扭摆磁铁2.1扭摆磁铁中同步辐射光的特性扭摆磁铁的同步辐射特性与弯转磁铁类似，当电子通过安装在储存环上周期数为N的高磁场扭摆器时，电子在扭摆磁铁中扭摆的次数刚好是2N，每弯曲一次就向相同的各方向发出辐射，这样各方向上2N次辐射相加，就使扭摆器引出的同步光的强度增强2N倍。其辐射[1]强度是各极辐射的2N倍。扭摆磁铁所产生的辐射功率角分布（即辐射密度）表示为:22dP(ω)3α2ΔωI2222X2=2N×2γy1(+X)×[K2/3(ξ)+2K1/3(ξ)]（4）dθdψ4π

6、ωe1+Xθ﹑ψ分别为辐射方向与电子运动轨道的水平、垂直夹角；y=ω/ωc=ε/εc；X=γψ；23/2ξ=y（1＋X）/2；K2/3（ξ），K1/3（ξ）：修正贝塞耳函数。式（4）第一项表示平行于电子轨道平面的极化分量，第二项表示垂直分量，当电子接近光速时，辐射的水平极化分量比垂直分量大得多。扭摆磁铁辐射角功率表达式：N2πc22P=ZIeγK（5）T06λZ0＝377ohms，表示热敏电阻。2http://www.paper.edu.cn22PT[kW]=0.633E[GeV]I[A]B0[T]L[m]

7、（6）扭摆磁铁辐射功率角分布另一表达式：22dP21γ=PG(Kf)(λθ,γψ)（7）TKdθdψ16πKG（K）函数随着K值的增大，其值趋于1，由于扭摆磁铁K值远大于1，所以G（K）取最大值1；fK（λθ,λψ）是归一化函数，2dp4f=10.84B0[T]E[GeV]I[A]NG（K）(γθ,γψ)（8）Kdθdψ对扭摆磁铁，电子在偏转中受到的磁场不是恒定的，因此在不同的水平偏角内，辐射的特征能量也不同。2εc(ψ)=εcmax1−(θ/δ)（9）扭摆磁铁峰值场强对应的特征能量2[2]εcmax=0.

8、665E[GeV]B0[T]（10）对于弯转磁铁，电子在磁场中产生的同步辐射是一个连续谱，单位立体角中光子通量是电子能量（γ）、光子能量或波长及垂直角分布（ψ）的函数，可表示为：22dI=3αγ2ΔωIy21(+X2)2×[K2(ξ)+XK2(ξ)]22/321/3dθdψ4πωe1+X在ψ＝0方向上，单位立体角中的光通量为：2dI=.1325×1016E2Iy2K2(y/)22/3dθdψ如果沿垂直方向积分，则