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请扭摆

中国物理学会期刊网 · 公众号 · 物理 · 2017-06-28 09:59

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■小溪/文

■L老师/审校

想象得出么，接近光速的电子束在蛇形轨道上扭摆起来之后会发生什么？现在来回答这个问题难度不算大，可在70年前这还是个高深的问题。

基于带电粒子在电磁场作用下，沿弯转轨道行进时会沿轨道切线方向发出电磁辐射的原理，让电子束经过周期性排列的磁场不断偏转方向，近似作正弦曲线的蛇行—— “ 扭摆 ” 起来。经过精心设计的周期性磁场，可使电子束在扭摆中沿切线方向不断发出的电磁辐射(被称为 “ 同步辐射 ” )获得更优异的性能。

意外的发现

20世纪初，根据电磁场理论，理论研究学者预言：真空中接近光速的相对论电子束在弯转磁场作用下作曲线运动时，会沿着弯转轨道切线方向发射连续谱的电磁辐射。20世纪20年代，有人首次提出了建造圆形运行轨道电子感应加速器的构想。1940年，第一台电子感应加速器由克斯特(Donald William Kerst)在美国伊利诺斯州大学建成，相关学者们对理论上预言的在切线方向发射电磁辐射而造成的加速器能量受损很感兴趣，发表了大量研究论文，不过那时谁也没真正见到过这种电磁辐射。

克斯特与第一台电子感应加速器(图片来自网络)

1946年，英国建成了世界上第一台电子同步加速器，紧接着，美国通用电气公司在纽约的斯克内克塔迪实验室也建成了一台电子同步加速器，为便于观察真空室里电极的位置，他们设计了透明的真空室，没想到这竟促成了 意外的发现 。1947年4月的一天，加速器在调试时电子枪有打火的现象，不知究竟发生了什么事，厚厚的水泥屏蔽墙外什么也看不到。一名技术人员在屏蔽墙外通过一面镜子的反射进行观察，他看到了加速器的透明真空室中有小而亮的“弧光”。此时，真空室的真空度很好，“弧光”不可能由气体放电引起，关掉了电子枪后“弧光”依然存在。很快便弄清楚了，这“弧光”正是此前理论预言的那种电磁辐射，因首先在同步加速器上被发现，称为“同步加速器辐射”，简称为“ 同步辐射 ”。

同步辐射示意图(图片来自网络)

首次观测到同步辐射光(图片来自网络)

同步辐射光源

加速器专家们为同步辐射造成的电子束流能量损失而苦恼，但有人却悉心研究着同步辐射独特的用处，很快便认识到同步辐射光是一种优良的光源。为用户提供同步辐射光开展研究的科学装置被称为“同步辐射装置”或“同步辐射光源”。

同步辐射光源具有常规光源不可比拟的优异性能，它的应用研究不仅涉及物理学、化学、生物学等基础学科，而且还广泛应用在材料科学，表面科学，计量科学、医学、显微技术、超大规模集成电路的光刻等技术领域的研究中。

近半个多世纪以来，同步辐射光源的发展已经历了数代：

■“第一代”

1973年，美国斯坦福直线加速器中心(SLAC)的高能物理加速器SPEAR储存环开始开展同步辐射的应用研究。之后，国际上有多台高能物理加速器作为兼用同步辐射光源向开展研究的用户开放——被称为 “第一代” 。

北京正负电子对撞机上的北京同步辐射装置BSRF(Beijing Synchrotron Radiation Facility)1992年开始运行，属第一代。

■“第二代”

1981年前后，基于低发射度储存环技术的优势，一批发射度较前大大降低、亮度大大提高的专用同步辐射光源陆续建成——被称为 “第二代” 。第二代同步辐射光源不受需要首先满足高能物理实验要求的技术限制，因此可针对开展同步辐射应用研究的用户要求，在束流的能量、流强、发射度等方面进行优化，光源的性能得到了大幅度提高，光源亮度达10 ¹⁵ -10 ¹⁶ 。

第一代、第二代同步辐射光源主要利用电子束经过加速器弯转磁铁发出的同步辐射光。至20世纪70年代末，开始在加速器弯转磁铁之间的直线段插入一种产生周期性磁场的部件——称为“ 插入件 ”(InserctionDevices)，以得到性能更好的同步辐射光，第二代同步辐射光源开始使用少量的插入件。

中国科学技术大学国家同步辐射实验室的合肥光源HLS(Hefei Light Source)1992年开始运行，属第二代。

■“第三代”

20世纪90年代中期，一批以低发射度和采用大量插入件为特征的高亮度同步辐射光源建成——被称为“第三代”，光源亮度可达10 ^18- 10 ¹⁹ (比二代光源高2个数量级)。例如：欧洲的ESRF(EuropeanSynchrotron Radiation Facility)、美国的APS(Advanced Photon Source)、日本的SPring-8(SuperPhoton ring-8)等。

2009年开始运行的上海光源SSRF(ShanghaiSynchrotron Radiation Facility)、1994年建成的台湾光源TLS(Taiwan Light Source)以及2015年投入运行的台湾光子源TPS(TaiwanPhoton Source)属第三代。

■“第四代”

由于科学技术发展的新需求，将最新的插入件技术与加速器技术结合起来可使光源性能获得飞跃性的提高，光源的平均亮度应达到1020-1022(比三代光源高2-3个数量级以上)。例如：基于直线加速器的自由电子激光FEL(Free Electron Laser)、能量回收直线加速器光源ERL(EnergyRecovery Linac)、衍射极限储存环USR(Ultimate Storage Ring)等。

让电子束扭摆

由上可见，同步辐射光源的性能与“ 插入件 ”有着密切的关系。

究竟什么是“插入件”呢？

插入件是一种特殊的组合磁铁，根据不同的需要，将方向相反的“磁极对”按照所设计的顺序排列(一般为周期性结构)，沿束流运动方向产生周期性变化的磁场。当电子束经过这样的周期性磁场区时，会被往复地、周期性地偏转方向，近似作正弦曲线的蛇行“ 扭摆 ”运动，电子束在扭摆偏转中发出同步辐射光。

插入件结构示意图(图片来自网络)

■ 扭摆器、波荡器

插入件的基本性能取决于以下物理参数：周期长度、磁间隙、峰值场强及偏转参数k(表达电子束在不同偏转位置发出的辐射光相互重合程度)。插入件主要分扭摆磁铁和波荡器，偏转参数K >> 1时，称为扭摆器(wiggler)，K值较小时称为波荡器(undulator)。

扭摆器与波荡器的对比示意图(图片来自网络)

扭摆器的磁场强度较大，周期较长，周期数较少。电子束进人扭摆器后，在不同极取向磁铁的强磁场作用下，作较大幅度、近似正弦曲线的扭摆运动，小半径处所辐射的光子能量范围向高能量移动，从而达到增加高能量光子数的目的。扭摆器能局部提供更强的磁场，使同步辐射波长向短的方向移动，辐射功率也得到增强。扭摆器产生的同步辐射光的亮度、强度等性能远优于由弯转磁铁所发出的同步辐射光，因此大大扩宽了其应用范围。

扭摆器结构示意图(图片来自网络)

用扭摆磁铁产生同步辐射的设想，是美国哈佛大学剑桥电子加速器CEA (Cambridge Electron Accelerator)的鲁滨逊(K. W. Robinson)1956年提出的。1966年，CEA建成了第一个扭摆器，但并没用在同步辐射光源上。

1979年，第一个真正用于同步辐射光源的扭摆器(7个周期、长1.2米)安装在美国斯坦福同步辐射光源SSRL(Stanford Synchrotron Radiation Lightsource)上，提供了有史以来最强的X射线束。1980年，斯坦福正负电子非对称环SPEAR(StanfordPositron Electron Asymmetric Ring)上安装了一个长2米的扭摆器。

1980年安装在SPEAR上的扭摆器的下半部分(图片来自J. Faust)

由于扭摆器的辐射总功率较大，接收端光学元件的发热问题比较严重，早期在能量较低的同步辐射装置上使用较多，而在能量较高的同步辐射装置上，更多使用的是波荡器。

波荡器的结构与扭摆器类似，但波荡器不注重用以提高出射光子的特征能量，而主要用来提高辐射光子的数量。波荡器的磁铁磁场强度较低，周期较短，磁周期数很多(往往由几十个甚至上百个磁铁对组成)，电子束进人波荡器后，往复偏转幅度较小，每个周期中发出的同步辐射发生干涉(两列或几列光波在空间相遇时相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域始终削弱，形成稳定的强弱分布)，且主要集中在很小的锥角内。正由于干涉效应，不同磁周期上产生的同步辐射光部分相干地叠加在一起，使同步辐射光的亮度得到成百上千倍的增加。

波荡器结构示意图(图片来自网络)

1947年，俄罗斯的金兹堡(Vitaly Ginzburg)发表论文，从理论上证明了建造波荡器的可能。1949年，施温格(Julian Schwinger)发表论文，阐述了如何解决波荡器设计中参数计算的难点。1952年，美国斯坦福大学的莫兹(Hans Motz)等人制成了首台验证用波荡器，高速电子束通过波荡器时形成周期性摆动，在条件合适时就会产生相干的电磁辐射。第一个真正用于同步辐射光源的波荡器有30个周期，1981年安装在美国斯坦福同步辐射光源SSRL上。

世界第一台实际应用的波荡器(图片来源：SLAC)

■ 电磁型、永磁型

插入件按使用材料可分为电磁型、永磁型(包括纯永磁型、混合型)。

电磁型用电磁铁产生横向磁场，通过改变线圈电流调节磁场强弱，调节方便，不需机械驱动，较容易获得较强磁场，但它的稳定运行需要大功率的高稳定电源，且电磁铁体积大，无法在短周期(小于10厘米)条件下使用。

纯永磁型用稀土永磁材料磁化而成的上下两排永磁块排列而成。一般每个周期有四块磁块，且磁块的磁化方向依次旋转90度(称为Halbach结构)。沿着束流方向形成磁极间隙空间内垂直分量磁场的周期性变化，构成插入件磁场。其优点是用较短的周期即可得到磁场强度较高的波荡器磁场，同时无需励磁线圈、配套电源等设备。但因每个永磁块的尺寸、磁化强度和方向均存在一定偏差，永磁块的测量、选配和组合优化的工作量非常大。

纯永磁型插入件结构示意图(图片来自网络)

混合型用高导磁性材料作为磁极来导引相邻磁极间永磁块的磁流，形成周期性磁场分布。混合型的优点是在磁块间隙与周期之比小于0.4时，可获得比纯永磁结构更高的峰值磁场，高导磁性的磁极形状和位置主导了磁场的分布，可以调节永磁块磁性分布误差，从而降低了对永磁块尺寸、磁化强度和方向的要求，大大减少了永磁块测量、选配和组合优化的工作量。但混合型的磁场谐波分量较大，设计磁场的计算相对复杂。

混合型插入件结构示意图(图片来自网络)

■ 平面型与螺旋型

第三代同步辐射光源基本上已淘汰了扭摆器，而波荡器的新品种层出不穷。因波荡器磁单元的几何结构决定了所辐射光的偏振状态，波荡器的设计就涉及到“光的偏振”。

因光波是电磁波，一般用电场和磁场沿空间的交叉传播来描述光波——在空间某点，电场强度(电矢量E)以及磁场强度(磁矢量H)随时间变化。光波的电矢量E(也称光矢量)和磁矢量H都与传播方向垂直，光波属于横波，而横波则具有偏振性。

若光矢量的振动方向限于一确定的平面内——光矢量的末端轨迹为直线，称为平面偏振光或线偏振光；若光矢量随时间作有规则地改变——光矢量的末端轨迹在垂直于传播方向的平面上呈圆形或椭圆形，则称为圆偏振光或椭圆偏振光。偏振光也称为“ 极化光 ”。

光波传播示意图(图片来自网络)

同步辐射光源中使用的波荡器大多数是平面型波荡器，周期磁铁的磁极平面为平行排列，高速电子沿x坐标方向来回偏摆产生线偏振辐射光，但辐射光的偏振状态不可改变。

随着科学的发展，对物质结构、磁性、电性、自旋和手型等各种不均匀性的研究特别需要偏振状态可以调节的光源，需要能提供不同辐射光偏振状态的波荡器。

螺旋型波荡器是周期磁铁的磁极排列在不同的极化模式下，通过调节不同磁极序列的相对位置，可同时产生水平和垂直两个方向的磁场，形成螺旋型的磁场分布，使高速电子在空间沿光传播的z坐标方向螺旋形前进，产生圆偏振或椭圆偏振辐射光。例如，椭圆极化(偏振)波荡器可提供多种偏振模式的辐射光。

几种类型的永磁平面螺旋型椭圆极化波荡器磁结构示意图(图片来自网络)

■ 准周期、超短周期等

随着技术的发展，插入件的结构也出现更多样化的趋势，例如：结构更加复杂的APPLE-KNOT、准周期、超短周期波荡器等。

新型的准周期波荡器，通过两相邻磁极间距离的准周期化来抑制传统波荡器(磁场周期性排列)产生的高次谐波(导致信噪比下降及单色性降低)，在很多光源上得到应用。

欧洲光源ESRF的准周期波荡器结构示意图(图片来自网络)

意大利光源ELETTRA的椭圆极化准周期波荡器结构示意图(图片来自网络)

超短周期的微型波荡器属于第四代光源所需的重大关键部件，相关的探索正在进行：日本KEK用一种全新的磁化方法研制周期长仅为4毫米，总长100毫米的微型波荡器。上海光机所利用超强超短激光与金属丝的相互作用研制一种微型瞬态电子波荡器。

日本KEK研制中的超短周期微型波荡器(图片来自网络)

微型瞬态电子波荡器示意图(图片来自网络)

■ 插入件之后

“插入件”在加速器储存环的直线段插入，储存环上的多个直线段可以安装多个插入件。插入件的后端可引出单条或多条不同类型的光束线，并建立相应的实验站提供给不同需要的应用研究单位使用。

“插入件”在加速器储存环上的直线段插入(图片来源：SPring-8)

从插入件引出光束线及实验站示意图(图片来源：Diamond)

成员众多的大家族

插入件从20世纪70年代起开始应用于同步辐射光源，随着相关技术的成熟，一些插入件已成为同步辐射光源的标准配件。同时，插入件技术与超导、低温等先进技术相结合，在缩短磁周期长度、提高磁场强度等方面不断发展，技术日趋完善。以下展示的是部分类型的插入件。

■ 真空外

真空外插入件无论是扭摆器还是波荡器，本身不涉及真空技术，但因电子束需在真空管道中运行，真空管道的占位使插入件的磁间隙调节受到一些限制，对插入件的工作磁场强度和同步辐射光性能有一定的影响。

北京同步辐射装置BSRF的永磁扭摆器1W1(7周期)，为漫散射实验站、X射线吸收精细结构实验站提供实验光束(图片来自网络)

北京同步辐射装置BSRF的多极永磁扭摆器1W2(30磁极头，7周期，周期长22厘米，间隙为3.5厘米时场强1.6T)，为小角散射实验站、生物大分子实验站提供实验光束(图片来自网络)

合肥光源HLS的永磁波荡器UD-1(总长2.7米，29个周期，磁间隙可在36~96毫米间变动)，为原子分子物理实验站提供实验光束(图片来自网络)

高能物理研究所为欧洲X射线自由电子激光装置EXFEL研制的高性能超长波荡器样机U48(长5米)(图片来自网络)

大连极紫外相干光源DCLS(世界唯一)的波荡器阵列(总长18米，波长在50纳米到150纳米间连续可调)，可产生世界上最亮的脉冲和波长可调的极紫外光源，在化学、物理、生物、能源、材料、环境等重要科学领域有着极为广泛的应用(图片来自网络)

美国直线加速器相干光源LCLS-II的永磁波荡器(图片来自网络)

■ 真空内

真空内插入件是将磁极置于真空室内。这样，当加速器束流注入时可将磁间隙拉开(减少对注入的影响)，而正常运行时可将磁间隙调节至很小，对提高插入件的工作磁场强度和同步辐射光的性能十分有利。

真空内波荡器细节(图片来源：DESY)

真空内扭摆器的磁场强度高，磁周期长，使用的永磁材料体积大，造成真空室的体积和容量增大，技术难度相当大。国际上应用较多的是真空内波荡器，一般磁间隙小于10毫米，周期长为20-30毫米，磁场峰值强度小于1 T。

北京同步辐射装置BSRF的真空内永磁扭摆器4W2(11周期，周期长148毫米，磁间隙可调范围12-120毫米)，为高压实验站提供实验光束(图片来自网络)

上海光源SSRF的真空内混合型永磁波荡器(80周期，周期长25毫米，最小磁间隙7毫米，最大峰值磁场强度0.95 T) (图片来自网络)

欧洲同步辐射光源ESRF的真空内波荡器(图片来自网络)

瑞士同步辐射光源SLS的真空内混合型波荡器(图片来自网络)

日本同步辐射光源SPring-8的真空内混合型波荡器(图片来自网络)

插入件常用的永磁磁块材料有钕铁硼(NdFeB)及钐钴(SmCo)，钕铁硼材料具有较高剩磁，而钐钴材料的抗辐射能力较强。对于较小磁间隙的波荡器来说，抗辐射能力弱的永磁块在辐射环境下会产生严重的退磁而大大降低波荡器的使用寿命，因此这类插入件的磁块一般采用钐钴材料。

如果将钕铁硼磁块置于低温条件下，其抗辐射能力大大增强，低温波荡器已在一些光源上取得较好效果，发展前景很好。未来，低温波荡器有取代真空内波荡器的趋势。

英国同步辐射光源DIAMOND的低温混合型波荡器(图片来自网络)

上海光源SSRF的中国首台低温永磁波荡器CPMU(右)(左为17U常温真空内波荡器) (图片来自网络)

■ 超导型

超导技术与插入件技术的结合产生了超导插入件。

超导扭摆器的峰值磁场强度大大提高，且大大增强了垂直方向的聚焦力，工作点的允许偏移量可达普通扭摆器的十倍左右。20世纪70年代末，首台超导扭摆器安装于前苏联BINP的VEPP-3储存环上。之后，超导扭摆器在多个同步辐射光源中有应用。

合肥光源HLS的单周期超导扭摆器，为生物大分子结构研究提供光束(图片来自网络)

西班牙同步辐射光源ALBA的超导扭摆器(图片来自网络)

从发展趋势看，超导波荡器已成为第三代同步辐射光源的关键性设备，其集超低温技术、超高真空技术、精密机械传动和控制技术等多项高端技术于一体，是提高同步辐射光源性能的重要手段。

超导波荡器的相关技术基本由发达国家垄断，国际上仅在德国的ANKA、瑞典隆德大学同步光源研究国家实验室MAX-LAB、美国斯坦福大学的FIR-FEL等极少数光源上有应用。2016年，中船重工属下的鹏力科技集团为上海光源研制成功国内第一个超导波荡器，标志着我国在这一领域的技术水平已开始跻身世界一流。

美国APS光源的超导波荡器SCU的试验样机(周期长16毫米，总长0.34米，以后达1.14米、2.3米)(图片来自网络)

德国ANKA光源的超导波荡器SCU15(100周期，周期长15毫米，总长1.5米)(图片来自网络)

英国同步辐射光源DIAMOND的超导波荡器(图片来自网络)

上海光源SSRF研制中的超导波荡器(图片来自网络)

■ 偏振可调等

平面波荡器只产生线偏振光，且偏振状态不可改变，螺旋波荡器可产生光源用户所需的圆偏振或椭圆偏振光，偏振状态的调节依靠机械机构的传动，只是速度较慢，调节后的辐射波长也会发生改变。

瑞士光源SLS的椭圆极化双波荡器(图片来自网络)

上海光源SSRF的双椭圆极化波荡器DEPU，总长约5米(由两台周期长分别为58毫米和148毫米的APPLE-II型可变椭圆极化波荡器组成)(图片来自网络)

2000年，美国阿贡国家实验室ANL的吉米(K. J. Kim)提出了一种交叉型平面波荡器的概念，两个交叉放置的平面波荡器分别产生的水平与垂直光场相干叠加，可通过调节交叉平面波荡器中间的移相器来实现辐射光场偏振状态的快速改变。

2014年3月，上海深紫外自由电子激光实验装置(SDUV-FEL)上在国际上首次成功地将交叉平面波荡器、高精度电磁移相器和分振幅偏振测量仪等设备集于一体，实现了自由电子激光脉冲偏振态的任意调控。

上海深紫外自由电子激光实验装置SDUV-FEL的交叉型平面波荡器(图片来自网络)

上海光源SSRF的椭圆极化波荡器(APPLE-KNOT型)(图片来自网络)

高能所为合肥光源做的准周期波荡器(应用于燃烧实验站)为国际同类实验中亮度最高的实验站(图片来自网络)

前景展望

半个多世纪的实践证明，同步辐射光源已成为众多学科前沿领域必不可少的研究手段，它对科学技术发展影响的广度和深度是其它大科学装置所无法比拟的。

“十三五”期间，中国将建设一台储存环电子能量为5 GeV，亮度、发射度超越世界目前同步辐射光源先进水平的第三代光源——高能光子源HEPS(High Energy Photon Source)。HEPS具备建设90条以上高性能光束线站的容量。同时，HEPS的发射度还能进一步降低以获得更高的亮度，达到衍射极限光源的水平，这将保证在未来很长时间内HEPS都能位居世界上亮度最高的光源之列。

除此之外，上海光源SSRF(具备建设60条以上光束线站的容量)、X射线自由电子激光试验装置SXFEL等新的先进光源也都需大量技术含量高的新型插入件。有理由相信，中国的插入件技术将突飞猛进在国际上占有重要的地位。