第四代光源资料课件.ppt

1、第四代光源第四代光源(Fourth Generation Light Source) 现代光源的发展回顾现代光源的发展回顾. 什么是第四代光源什么是第四代光源? 我们为什么需要第四代光源我们为什么需要第四代光源? 第四代光源的技术支持和主要形式第四代光源的技术支持和主要形式. 什么是能量修复直线加速器什么是能量修复直线加速器(ERL)? 什么是自增益自发辐射自由电子激光器什么是自增益自发辐射自由电子激光器(SASE-EFL)? 储存环储存环, ERL和和X-EFL的比较的比较. 世界已建成和计划建造的世界已建成和计划建造的ERL和和EFL.现代光源的发展回顾现代光源的发展回顾粒子物理粒子物理

2、(Particle Physics)直线加速器直线加速器 (Linac)储存环储存环 (Store Ring)第三代同步辐射光源第三代同步辐射光源 (3rd Generation SR)(更多更好的插入件更多更好的插入件)第一代同步辐射光源第一代同步辐射光源 (1st Generation SR)(附属产物附属产物)第二代同步辐射光源第二代同步辐射光源 (2nd Generation SR)(插入件的应用插入件的应用)自由电子激光器自由电子激光器 (Free Electron Laser)自增益自发辐射自由电子激光器自增益自发辐射自由电子激光器(Self-Amplified Spontaneo

3、us Emission EFL)能量修复直线加速器能量修复直线加速器(Energy recovery Linac)第四代光源第四代光源(4th Generation Light Source)远红外远红外FEL红外红外/可见光可见光FEL紫外紫外/真空紫外真空紫外FELXUVEFL什么是第四代光源？什么是第四代光源？*追求更高的性能是发展第四代光源的根本目标，从这个角度我们可以将第四代光源定义为性能更高的光源性能更高的光源，其主要参数，例如亮度、相干性亮度、相干性 (完全横向相干)、脉冲长度和波长范围等，应比现有的光源高出一个或者几个数量级。其次之外第四代光源还应具有：1.更低的辐射度；更低的

4、辐射度；2.可变的脉冲结构；可变的脉冲结构；3.高稳定性。高稳定性。我们为什么需要第四代光源？我们为什么需要第四代光源？1) 15年来，同步辐射和自由电子激光器装置在欧洲和世界已经取得了极大的成功：年来，同步辐射和自由电子激光器装置在欧洲和世界已经取得了极大的成功： *许多主要装置的发展都获得成功； *另一方面, 所有项目在预算内都令人瞩目地达到和超越了预期的目标; *用户数量仍然在快速增长,所有装置的供光时间都预定一空,常常接纳不了如此众多的用户 ; *谱学用户比十五年前更广泛和多种多样,特别是在生命科学方面的需求增长迅速 ; *在这个领域已经产生了一个诺贝尔奖,和许多其他第一流水平的成果

5、2) 2) 目前基与储存环的先进光源技术还没有达到它的极限目前基与储存环的先进光源技术还没有达到它的极限, ,例如稳定性、亮度、例如稳定性、亮度、 光通量、相干性和偏振性等许多方面的改进仍然是可能的光通量、相干性和偏振性等许多方面的改进仍然是可能的; ;3) 3) 正在涌现出的新技术应主要归功于在欧洲和美国进行的深入研究，这些技术是正在涌现出的新技术应主要归功于在欧洲和美国进行的深入研究，这些技术是 以以LINACLINAC而不是储存环为基础的；基于而不是储存环为基础的；基于X X射线发射的射线发射的LINACLINAC技术可以分为两个分支：技术可以分为两个分支： *能量恢复的LINAC技术（

6、ERL）; *基于SASE（自放大的自发辐射机制）的X射线自由电子激光器技术. 今天我们有今天我们有:*循环率循环率*稳定性稳定性*可调性可调性*偏振偏振*亮度亮度我们还需要我们还需要:*相干性相干性*功率功率*fs脉冲脉冲*衍射极限衍射极限*亮度亮度生物大分子结构研究为什么需要新光源？为什么需要新光源？结构的重要性 生物大分子的功能主要取决于其结构。生物大分子的功能主要取决于其结构。 只有在获得相应分子的结构后才能深入只有在获得相应分子的结构后才能深入地研究其功能和生化过程。地研究其功能和生化过程。 生物大分子的结构不仅对于生物学基本生物大分子的结构不仅对于生物学基本问题，而且对于基因工程、

7、药物设计等问题，而且对于基因工程、药物设计等重大应用领域都至关重要。重大应用领域都至关重要。由于结构研究而获得的诺贝尔奖由于结构研究而获得的诺贝尔奖 光和作用中心，光和作用中心，1988年化学奖；年化学奖； ATP合酶，合酶，1997年化学奖；年化学奖； 钾离子通道，钾离子通道，2003年化学奖。年化学奖。这些都是膜蛋白。占蛋白总数大约这些都是膜蛋白。占蛋白总数大约30%30%的膜蛋的膜蛋白具有极其重大的意义，在目前的技术水平下白具有极其重大的意义，在目前的技术水平下获得结构却是一个非常困难的任务。获得结构却是一个非常困难的任务。目前获得结构的主要手段hkll)k,(h,ilz)ky(hx2i

8、eel)k,F(h,z)y,(x,晶体学方法的瓶颈 必须得到单晶；必须得到单晶； 生物大分子的结晶是很困难的，需要花生物大分子的结晶是很困难的，需要花费大量时间和精力；费大量时间和精力； 膜蛋白的结晶更加困难，几乎是不能完膜蛋白的结晶更加困难，几乎是不能完成的任务。成的任务。膜膜蛋白蛋白大分子组合体大分子组合体 许多生物上重要的系统是难以或无法结晶的许多生物上重要的系统是难以或无法结晶的 解决的方法解决的方法探测器探测器分子分子相干光源相干光源利用一束相干性很好、强度很高的利用一束相干性很好、强度很高的X X光来照光来照射分子，记录下相干散射的强度，也能得到射分子，记录下相干散射的强度，也能得

9、到分子中原子的结构。分子中原子的结构。qd)qr ( iexp2)q(i exp)q(F) r(3溶菌酶溶菌酶核糖体核糖体(蛋白质和核蛋白质和核酸的复合体酸的复合体)的结构的结构模拟的相干散射谱模拟的相干散射谱金属蛋白结构动力学金属蛋白结构动力学 (10-100fs)(10-100fs)关键：光源关键：光源 目前的光源（包括第三代同步辐射）还目前的光源（包括第三代同步辐射）还不能提供足够的强度和相干性；不能提供足够的强度和相干性； 能够满足条件的光源是：自由电子激光能够满足条件的光源是：自由电子激光。可能的问题 分子损伤：极高的强度会使分子完全离分子损伤：极高的强度会使分子完全离解，但是新一代

10、光源可以在分子离解之解，但是新一代光源可以在分子离解之前就得到足够的信号，计算机模拟证实前就得到足够的信号，计算机模拟证实了这一点。了这一点。 相位问题：过采样技术（相位问题：过采样技术（over sampling）可以解决这个问题。可以解决这个问题。 探测技术：需要发展。探测技术：需要发展。 实验技术：如何获得单分子的散射信号，实验技术：如何获得单分子的散射信号，需要研究。需要研究。XFEL作用下溶菌酶分子的离解新一代提供的其他机遇 极快的脉冲提供了研究生物大分子在发挥功能时结构变化的研究手段； 不仅在静态，而且在动态的情况下得到结构，使我们能够对生物大分子结构和功能的研究进入到一个全新的领

11、域。fspsnsmsmsshr10-1510-1210-910-610-31103光子吸收光子吸收化学键化学键振动振动荧光衰减荧光衰减大分子构象大分子构象变化变化大分子布朗大分子布朗运动运动蛋白质配蛋白质配位结合位结合光合作用光合作用集合相变集合相变受体信号受体信号有丝分裂有丝分裂胞吞胞吞受体相互受体相互作用作用信号转导信号转导蛋白质折叠蛋白质折叠聚合聚合酶翻转酶翻转细胞凋亡细胞凋亡结论 新一代为生物大分子结构研究提供了一新一代为生物大分子结构研究提供了一个前所未有的机遇。个前所未有的机遇。 大大提升了我们获得结构的能力。大大提升了我们获得结构的能力。 提供了更重要的结构变化的研究手段。提供了

12、更重要的结构变化的研究手段。复杂体系研究为什么需要新光源？为什么需要新光源？这些研究包括 芯片、催化剂、半导体材料、传感器等芯片、催化剂、半导体材料、传感器等功能材料和器件表面电子结构、原子结功能材料和器件表面电子结构、原子结构、磁结构的时间分辨研究；构、磁结构的时间分辨研究； 涉及到涉及到ITIT产业、化学化工、军事等领域产业、化学化工、军事等领域的应用。的应用。XFEL可以提供光斑小于可以提供光斑小于20nm的探针，能够研究到电荷、自旋和的探针，能够研究到电荷、自旋和轨道有序的区域运动的动力学过程。轨道有序的区域运动的动力学过程。深入研究巨磁阻材料、高深入研究巨磁阻材料、高温超导等复杂体系

13、的结构温超导等复杂体系的结构和功能关系和功能关系LaCaMnO体系相图体系相图电荷、自旋、轨电荷、自旋、轨道的道的stripe-like结构利用聚焦的、结构利用聚焦的、高强度、时间分高强度、时间分辨的光源可辨的光源可有效的研究这些有效的研究这些动力学过程，揭动力学过程，揭示结构和功能之示结构和功能之间的关系。间的关系。磁共振散射：磁共振散射：XFEL能够研究磁畴中电荷和自旋相互作用的能够研究磁畴中电荷和自旋相互作用的动力学过程。动力学过程。飞秒时间分辨的结构分析飞秒时间分辨的结构分析利用利用XFEL的时间分辨特性，可以探测在光诱导表面反应中原子的时间分辨特性，可以探测在光诱导表面反应中原子几何

14、结构的变化。几何结构的变化。超高分辨超高分辨X X射线发射谱射线发射谱XEL（X射线发射谱）能够研究原子内部的价电子及其射线发射谱）能够研究原子内部的价电子及其相应的电子轨道、电荷密度变化过程。相应的电子轨道、电荷密度变化过程。有机有机/无机复杂体系研究：无机复杂体系研究：Cu110表面甘氨酸单分子吸附研究。表面甘氨酸单分子吸附研究。表面相互作用及催表面相互作用及催化：化：Ni100表面表面CO的吸附过程的时的吸附过程的时间和空间分辨研究。间和空间分辨研究。水分子动力学研究水分子动力学研究XFEL提供的超快提供的超快时间分辨和超高能时间分辨和超高能量分辨使得研究水量分辨使得研究水分子在不同状态

15、的分子在不同状态的振动过程成为可能振动过程成为可能飞秒量级的时间分辨实验研究纳米体系的磁化过程飞秒量级的时间分辨实验研究纳米体系的磁化过程对提高磁性存储密度具有重要意义。对提高磁性存储密度具有重要意义。飞秒量级的时间分辨的磁性全息成像能够研究磁畴的形成飞秒量级的时间分辨的磁性全息成像能够研究磁畴的形成对提高磁性存储密度具有重要意义。对提高磁性存储密度具有重要意义。为什么需要新光源？为什么需要新光源？Structural model of LaC82an an icosahedronicosahedron(20(20面体面体) )Clusters 原子分子和团簇物理是我们理解光子和原子相互作用的

16、一把钥匙. 许多表面敏感的方法,如X射线谱学和衍射不适合极少量的单散团簇分析,因此在团簇物理方面,特别是几何和电子结构方面留有大量的研究空白. 目前为止,大多数作为模型的金属团簇(如Ptn,Rhn,Pdn)的结构还未知.原子分子和团簇方面应用 直接观测原子中多空穴的形成 直接观测K壳层电子的多光子电离过程 观测团簇中的库仑大爆炸 分子和团簇动态和结构的研究计算表明: 三聚体以等边三角形稳定 四聚体以菱形稳定 化学位移应该不同团簇异构体J. Phys. Condens. Matter 9, L39 (1997)Phys. Rev. B 47, 1567 (1993)两种吸附状态J. Am. Ch

17、em. Soc. 121, 3214 (1999)分子的吸附结构分子的吸附结构 吸附是分离的还是完整的? 是物理吸附还是化学吸附? 电荷转移多大?氧化态是多少? 团簇结构是否因吸附而改变? 新光源能够加深理解几何和电子结构所起的作用. 通过探测配位体的中心轨道区分吸附位置. 其他光源不能得到团簇和分子的X射线衍射谱,因为粒子密度太低.团簇的结构大多由间接的方法或计算得到. 估算表明: 当XFEL光束聚焦到300nm时,在一个FEL脉冲内就能记录下单个团簇的衍射谱. 直接从散射花样中获得结构信息. 可获得团簇粒子相对于光束的定向信息. 相对于宏观晶体来说,单个团簇粒子的衍射能够获得相位信息.超强

18、的单超强的单个飞秒级个飞秒级X X射线脉射线脉冲用于分冲用于分子或团簇子或团簇的衍射的衍射分子和原子团簇衍射分子和原子团簇衍射 含有含有212121212121个个AuAu原子的团簇原子的团簇 两个探测器坐标两个探测器坐标 直接得到结构信息直接得到结构信息 获得相位信息获得相位信息 计算值计算值X-ray X-ray 散射图案散射图案http:/www-ssrl.slac.stanford.edu/lcls/papers/LCLS_experiments_2.pdf.多光子电离过程Atomic Physics Experiments, in LCLS : The First Experimen

19、ts, Stanford (2000)估计对于氖原子的估计对于氖原子的K K壳层：有可探测壳层：有可探测的原子数目在小于的原子数目在小于空穴弛豫时间的尺空穴弛豫时间的尺度内连续或同时吸度内连续或同时吸收两光子，产生两收两光子，产生两空位。空位。 非线性光子原子相互作用是激光非线性光子原子相互作用是激光光谱的主要研究领域光谱的主要研究领域 即使对第三代同步辐射光源即使对第三代同步辐射光源, ,研研究非线性过程究非线性过程, ,内壳层的内壳层的X X射线双射线双光子或多光子激发或电离的截面光子或多光子激发或电离的截面太小太小, ,而探测不到而探测不到. . 高亮度高强度的高亮度高强度的XFELXF

20、EL则是可行的则是可行的. 团簇是单分子到块体的桥梁团簇是单分子到块体的桥梁. . 便于理解从原子分子到块体的过渡便于理解从原子分子到块体的过渡与形成与形成. . 能推广到研究块体的辐照损伤能推广到研究块体的辐照损伤. . 新一代光源新一代光源没有传统的激光场的强没有传统的激光场的强烈干扰烈干扰, ,便于研究动态过程便于研究动态过程. .团簇研究中的动力学过程团簇研究中的动力学过程 聚焦聚焦X-ray.X-ray. 库仑排斥库仑排斥过程过程团簇动力学过程研究团簇动力学过程研究Phys. Rev. Lett. 82, 3783 (1999) 提供了一个研究团簇和纳米晶实时动提供了一个研究团簇和纳

21、米晶实时动态熔化过程的机会态熔化过程的机会. . 结合其他方法区分表面熔化和体内熔结合其他方法区分表面熔化和体内熔化化. . 以往的研究都没有原子核运动的直接以往的研究都没有原子核运动的直接信息信息, ,利用利用新光源新光源结合可见光激光的结合可见光激光的Pump-probePump-probe技术提供了直接实时观测技术提供了直接实时观测团簇振动和变形的可能性团簇振动和变形的可能性. . 提供飞秒级的动态结构信息提供飞秒级的动态结构信息. . 光学激发光学激发 X-rayX-ray探测探测相变和原子团簇的熔解相变和原子团簇的熔解J. Chem. Phys. 109, 9401 (1998).实

22、验装置示意图实验装置示意图 新一代光源新一代光源的应用可以使人们对的应用可以使人们对物质世界的认识上升到一个新的物质世界的认识上升到一个新的层次层次 新一代光源新一代光源的应用可以开拓科学的应用可以开拓科学研究的新领域研究的新领域 新一代光源新一代光源所带来的认知革命还所带来的认知革命还不能完全预知不能完全预知总结 超导技术的发展；超导技术的发展； 长波荡器和超导波荡器；长波荡器和超导波荡器； 光阴极射频枪光阴极射频枪 (注入系统注入系统)； 能量修复直线加速器能量修复直线加速器(ERL)； 自由电子激光器自由电子激光器(FEL)； 自增益自发辐射技术自增益自发辐射技术(SASE) ； 第四代

23、光源的技术支持第四代光源的技术支持第四代光源的主要形式第四代光源的主要形式最最主要的有以下两种形式：主要的有以下两种形式：1.能量修复直线加速器能量修复直线加速器(Energy Recovery Linac)；2.X射线自由电子激光器射线自由电子激光器(X-ray Free Electron Laser)。其它的设计还有：其它的设计还有：使用长波荡器的储存环；使用长波荡器的储存环；使用长波荡器的多道加速循环光源；使用长波荡器的多道加速循环光源； ERL技术的研究主要集中在美国，俄罗斯对此技术也做出了重技术的研究主要集中在美国，俄罗斯对此技术也做出了重要贡献。要贡献。X-FEL技术的研究集中在欧

24、洲（主要是德国的技术的研究集中在欧洲（主要是德国的HASYLAB）和美国（主要是和美国（主要是ARGONNE和和STANFORD）。）。什么是能量修复直线加速器什么是能量修复直线加速器?原理: 直线加速器直线加速器(Main Linac)维持一个共振的电磁场共振的电磁场, 这个共振电磁场的功能是将电子加速和减速(依赖于电子位置和共振电磁场位相的关系). 注入器注入器(Injector)注入的一束电子通过一些光学器件在环中绕行一周后回到加速器的低能入口处, 此时共振电磁场的位相变位相变化化1800, 电子束将在共振场中做减速运动, 并将能量交给共振场将能量交给共振场, 然后通过直线加速器, 被引

25、出丢弃引出丢弃. 此时, 注入器将重新注入一束新的电子新的电子, 共振场将获得的能量交给新注入的电能量交给新注入的电子束子束, 使新注入的电子得以加速. 这样, 经过多次循环多次循环后, 电子束的能量将越来越高, 最终达到一个平衡状态平衡状态(电子速度越高, 在环中绕行时的辐射损失就越大).能量修复直线加速器(ERL)和传统储存环的最大区别是: ERL循环的是电子束的能量而不循环的是电子束的能量而不是电子束本身是电子束本身!ERL的优异特性的优异特性:1. 发散度极低发散度极低(=储存环储存环);5. 衍射极限光源衍射极限光源;6. 脉冲长度小脉冲长度小(100fs) 有关有关ERL的文章的文

26、章传统的自由电子激光器传统的自由电子激光器直线加速器产生的电子束团经入口处的偏转磁铁进入扭摆磁铁直线加速器产生的电子束团经入口处的偏转磁铁进入扭摆磁铁,并在那里产并在那里产生辐射生辐射,然后经过另一偏转磁铁引导系统之外丢弃然后经过另一偏转磁铁引导系统之外丢弃. 产生的辐射一部分穿透产生的辐射一部分穿透右边的反射镜右边的反射镜, 而另一部分则被反射回来而另一部分则被反射回来, 经左边反射镜的辐射经左边反射镜的辐射, 在向右传在向右传播的同时与刚进入的电子束发生相互作用播的同时与刚进入的电子束发生相互作用. 在激光电场和扭摆磁铁磁场的在激光电场和扭摆磁铁磁场的联合作用下联合作用下, 束团将被切割成

27、尺度小于辐射波长的微束团束团将被切割成尺度小于辐射波长的微束团, 微束团将产生相微束团将产生相干的电磁辐射干的电磁辐射. 如此重复多次如此重复多次,激光强度不断放大知道达到饱和状态激光强度不断放大知道达到饱和状态.什么是自由电子激光器什么是自由电子激光器?自增益自发辐射自由电子激光器自增益自发辐射自由电子激光器(SASE-EFL)(SASE-EFL)SASE-EFL关键的技术是使用了长周期的波荡器关键的技术是使用了长周期的波荡器. 当电子在波荡器当电子在波荡器中做振幅很小的扭摆运动时会辐射出电磁波中做振幅很小的扭摆运动时会辐射出电磁波, 辐射出的电磁波与电辐射出的电磁波与电子束处在相同的路径子

28、束处在相同的路径, 因而使得电子束的辐射增大因而使得电子束的辐射增大. 因此因此, SASE-EFL的辐射功率与的辐射功率与N2(N为波荡器的周期数为波荡器的周期数)成正比成正比, 而不是而不是N.自由电子激光器的发展历史自由电子激光器的发展历史SASE-EFL或者或者X-EFL的优异特性的优异特性:1. 极高亮度极高亮度, 峰值功率是现有峰值功率是现有X射线源的射线源的1010倍倍;2. 空间和时间相干性空间和时间相干性;3. 短脉冲短脉冲(100fs);4. 波长可调波长可调;5. 线偏振和圆偏振线偏振和圆偏振; 储存环和储存环和ERLERL的比较的比较 Storage Ring*电子束在

29、水平和垂直方向的电子束在水平和垂直方向的尺寸不等尺寸不等;*环限制了电子束长度环限制了电子束长度;*补充能量补充能量;*决定电子束发散度的是储存决定电子束发散度的是储存环的磁结构环的磁结构;*长时间常数长时间常数低可变性低可变性. ERL*电子束的截面是圆形或者正方的电子束的截面是圆形或者正方的;*环对电子束长度没有限制环对电子束长度没有限制;*能量修复能量修复;*光注入器决定电子束的发散度光注入器决定电子束的发散度;*短时间常数短时间常数可变性可变性.ERLERL和和X-EFLX-EFL的的比较比较 ERL*直线加速器直线加速器 + 波荡器波荡器;*低电子束填充在单通道中低电子束填充在单通道

30、中;*高循环率高循环率(high rep-rate);*同时可引出多个束线同时可引出多个束线. X-EFL*直线加速器直线加速器 + 长波荡器长波荡器;*高电子束填充在单通道中高电子束填充在单通道中;*低循环率低循环率(low rep-rate);*多路引出束线多路引出束线.光源亮度比较光源亮度比较Average Spectral BrightnessPeak Spectral Brightness光源尺度和脉冲长度的比较光源尺度和脉冲长度的比较t世界上在运行的世界上在运行的FEL1970198019902000M. Tigner Nuovo Cimento 37(1965) 1228MUSL

31、, Univ. of Illinios, 1977SCA, Stanford, 1986S-DALINAC, 1990CEBAF, 1995JAERI, 2002CornellPERL4GLSERLSYNERLERL发展历史发展历史ERLSite能量能量(GeV)平均流强平均流强(mA)辐射度辐射度(nmrad)束流长度束流长度(ps fwhm)SLACStanford5.3100.0150.3CHESSCornell5.3100.0150.3PERLNSLS372000.050.10.1APSWisconsin5.31000.043世界上各个世界上各个ERLERL装置主要参数装置主要参数4GLS(Daresbury)同时使用同时使用ERL和和EFL技术技术DESY(TESLA)XEFL中中使用的使用的ERL参数参数 XFEL的应用可以使人们对物质世界的认识上升到一个新的层次 XFEL的应用可以开拓科学研究的新领域 XFEL所带来的认知革命还不能完全预知“自由电子激光对自由电子激光对2121世纪的科学与工业的世纪的科学与工业的影响是无法估计的影响是无法估计的”。 -杨振宁