CN104797074A

CN104797074A - 一种生产同步光的方法

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Publication number: CN104797074A
Application number: CN201510191382.5A
Authority: CN
Inventors: 黄家荣
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-05-09
Filing date: 2015-04-22
Publication date: 2015-07-22
Also published as: CN103957656A

Abstract

本发明公开了一种生产同步光的方法，属于同步辐射光源领域。该方法包括电子产生、电子加速、电子注入及电子储存环中偏转等步骤，克服了现有技术中关于“只有能量很高、飞行速度接近光速的‘相对论性’电子在电磁场中发生偏转才能产生同步辐射”的技术偏见，采用低能量电子输入法，使储存环中的电子在低能状态下偏转，从而实现产生高强度、高亮度的同步光，达到简化设备、降低能耗以及设备生产、运行成本的目的，具有很高的经济效益和社会效益。

Description

一种生产同步光的方法

技术领域

本发明属于同步辐射光源领域，具体涉及一种生产同步光的方法。

背景技术

同步辐射光源，是一种利用“相对论性”带电粒子在磁场中偏转时产生同步辐射的高性能新型人工光源，它具有高稳定性、高通量、高纯净、高亮度及宽波段、微束径、窄脉冲、可精确预知等独特而优异的性能，在基础科学研究和高技术产业开发应用研究等有着广泛的用途。一直以来，大家认为要产生同步辐射需要具备三个条件：（1）有带电粒子，通常是电子；（2）带电粒子是“相对论性”的，就是说它的能量很高，飞行速度接近光速；（3）存在能使带电粒子发生轨道偏转的电磁场。

能够产生和利用同步辐射的物理装置，称作同步辐射光源或同步辐射装置，30多年来，同步辐射光源已经历了三代的发展，它的主体是一台电子储存环，其它还包括电子产生器、电子加速器、电子注入器等装置。电子储存环是一个闭合、环形、用来储存经电子加速器加速得到的高能电子束的高科技装置，高能电子束在电子储存环中沿着环形轨道作高速远动，从而会沿着偏转轨道切线方向发射出连续谱的同步光，引出的同步光经需求加工（如分光、准直、聚焦等）后便可输送至用户进行研究或利用。进一步，储存环中还可以设置直线节，并在直线节上设置有波荡器或扭摆器等插入件，通过插入件的作用使电子在直线管道中作蛇形运动，从而产生更高亮度和强度的同步光，称为第三代光源。如我国上海同步辐射光源由全能量注入器、电子储存环、光束线和实验站组成，其中全能量注入器的作用是向电子储存环提供电子束并使其加速到所需能量，包括电子直线加速器、增强器和注入/引出系统；该同步辐射光源运作时，通过电子枪产生的电子束（电子能量为0.1MeV）先被约40米长的电子直线加速器加速到0.15GeV（1GeV=1000MeV），然后被注入到周长约180米的增强器中，由增强器继续加速到3.5GeV，再经过注入/引出系统注入到电子储存环，电子储存环储存电子束并提供同步光，光束线则对引出的同步光进行传输、加工，接着提供给实验站上的用户使用。

为使带电粒子具有“相对论性”，现有的同步辐射光源通常会将电子束加速到很高的电子能量。刘祖平在其编著的《同步辐射光源物理引论》（P250-252）中提到，我国的北京同步辐射光源，电子束的能量为2.5GeV；上海同步辐射光源达到3.5GeV；美国的APS同步辐射光源甚至高达7.0GeV。要达到且运行如此高的电子束能量，使得现有同步辐射光源存在有以下问题：（1）能耗大，运行费用高；例如，美国的APS同步辐射光源，运行费用高达9000万美元/年；而我国合肥同步辐射光源，虽然电子束的能量为800MeV，运行费也高达1200万元人民币/年，北京和上海的同步辐射光源更是远高于此；（2）设备庞大复杂，造价高；例如，美国的APS同步辐射光源，总共投资了4.6亿美元；而上海同步辐射光源，总共投资了12亿元人民币。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种生产同步光的新方法，该方法由两项技术构成：一是把储存环的电子能量降低到500MeV以下；而是大幅度降低弯转磁铁的磁场强度，使同步光只在插入件产生。其中第一项是基本的、主要的，第二项是次要的、辅助的。该两项技术可以一起采用，亦可以采用其中的一项。例如，在现有的同步辐射光源中，只要把储存环的电子能量降低至50MeV，就可以生产出该光源原有波段和亮度的同步光。当然，采用两项技术所产生的效果要比采用一项好得多。新方法克服了现有技术中关于“只有能量很高、飞行速度接近光速的‘相对论性’电子在电磁场中发生偏转才能产生同步辐射”的技术偏见，使低能电子也能产生高亮度、高强度的同步光，达到简化设备、降低能耗以及设备生产、运行成本的目的，具有很高的经济效益和社会效益。

具体的，所述生产同步光的方法包括以下步骤：电子产生、电子加速、电子注入、电子储存环中偏转，其关键在于，不采用现有技术中的高能量电子注入法，而大幅度降低注入电子的能量，使加速器和储存环中的电子束能量保持在500MeV或以下，在不改变原有同步光源的电子储存环结构和操作条件下，生产出该光源原有波段和亮度的同步光。

本发明在不需要高能电子的条件下，依然能够实现同步光的产生。

为能达到更好地节能效果，作为本发明的进一步说明，所述储存环中电子的能量保持在50MeV或以下。

以上本发明技术方案中所述的电子能量指“名义能量”，即加速电压与电子电量的乘积。

现有的同步辐射光源技术是以相对论力学为理论基础的，该理论认为，电子的动能等于加速电压与电子电量的乘积，而且只有“相对论性”（即能量很高，速度接近光速）的电子，才能产生同步辐射；低能量的电子是不能产生同步辐射的，所以储存环中的电子能量都要求很高。但是，在上海东方电磁波研究所所长季灏关于“质疑爱因斯坦力学和传统加速器理论”的一个实验（见《中国科技成果》2009年第1期）中得知，高速运动的高能电子的实际能量也没有名义上那么高，大约在2.5MeV左右，因此，电子的动能并不等于加速电压与电子电量的乘积，即使把加速电子提高至800MV或者甚至更高，电子的能量也不会超过2.5MeV；而在其中另一个实验（见《中国工程科学》2006年第10期）中，季灏采用4～20MeV的电子垂直射入B(磁感应强度,下同)为0.1210T匀强磁场在中，电子的偏转半径为0.18m左右，结果是显而易见的不产生同步辐射，因为X光底片上没有射线的感光迹象。除了季灏实验外，相对论力学在理论上也受到广泛质疑。因此，本发明人认为，“相对论性电子”是不存在的；合肥光源与季灏实验的电子的实际能量没有区别，之所以一个能产生而另一个不产生同步光，其原因在于：在相同的半径下，合肥光源的磁感应强度B值大大高于季灏实验中的B值。经计算，若季灏实验中的电子偏转半径（0.18m）增加至与合肥同步辐射光源的电子储存环半径（2.222m）一致，则磁感应强度只有0.0098T，即合肥光源B值（1.2T）是它的122倍，为方便起见，将此比值称它为“偏转磁场强度比”，简称“偏磁比”，用“K”表示。因此，足够大的K值是产生同步辐射的必要条件；其次，合肥光源使用的磁感应强度为1.2T，计算得出电子的偏转半径为0.0182m，而合肥光源使用的储存环半径为2.222m，这就好比把一个半径为0.0182m、弹性极好的橡皮圈套在一个半径为2.222m的铁圈上，这就意味着在该光源中，电子束不是沿环的中心线而是在洛仑磁力的作用下紧贴着环壁运动的，因而环壁（内表面）对电子的运动产生摩擦阻力，起到了“刹车”作用，便产生了韧致辐射，而在季灏实验中由于“无环”，没有存在摩擦，必定不产生韧致辐射。

上述偏磁比K的计算公式如下：K=B*R/（B_j*R_j）。

式中，B为储存环偏转磁铁的磁感应强度，(T)；R为储存环半径，（m）；B_j为季灏实验中的磁感应强度，（T）；R_j为季灏实验中的电子偏转半径，（m）。例如，在上海同步辐射光源中，B=1.22T；R=9.55m，故：K=B*R/B_j*R_j=1.22*9.55/（0.1210*0.18）≈535。

依此理论，在储存环直线节中作直线运动的电子，通过磁场作用下偏转并与管壁发生摩擦，同样能产生同步辐射。电子扭摆器和波荡器产生同步辐射很可能是电子进行蛇形远动时与管壁发生摩擦造成的。

基于上述理论，本发明还提供了一种使低能状态的电子在储存环中发生偏转，并在插入件产生同步光的方法，其中，所述插入件包括扭摆器和波荡器，所述储存环中弯转磁铁的偏磁比K≤100。

大家知道，在弯转磁铁产生的同步光是沿着弯转轨道的切线方向发射的，因而是发散的，所以强度和高度都不高，而且因为引出的同步光只是其中较小的一部分，浪费了大量的光能，是不经济的。因此，减少和避免电子束流在弯转磁铁出光，使其只在直线节的插入件发出，就可以大大地提高同步光的利用率。而减少和避免在弯转磁铁产生同步辐射的办法，就是降低弯转磁铁的K值。降低储存环中的k值，不仅可以减少或避免电子在弯转轨道的辐射损失，而且可以使储存环的平均电子流强大大提高，从而产生更高亮度和强度的同步光。

作为上述在直线节处生产同步光的方法的进一步说明，所述储存环中弯转磁铁的偏磁比K≤20。

实现上述在直线节处生产同步光的装置，包括电子产生器、电子加速器、电子注入器及设有直线节的电子储存环，其中，所述直线节上装有二极磁铁，管的方向与磁场方向相垂直。当电子束经过该直线节时，在洛仑磁力作用下，紧贴着管壁运动，从而产出同步光。该直线节结构比扭摆器或波荡器更为简单，且在长度相同时，产生的同步光的强度和亮度更高。

显然，以上的认识是不可以根据现有的理论和实验，通过简单的逻辑推理所能得出的，必须有理论上的创新才行。

本发明克服了现有技术偏见，提出了新的技术方案，新方案符合客观规律，具有很高的经济效益和社会效益，值得推广应用。

本发明的有益效果是：

1.本发明采用低能量电子注入法，较现有同步辐射光源可降低成千上百倍的能耗，节能效果非常可观，同时大幅度降低了设备的运行费用。

2.采用本发明方法，不需要采用大型或复杂的电子加速器、增强器等设备，节省了设备投资成本，甚至可使同步辐射光源小型化。

4.采用本发明，不仅大大提高同步光的利用率，而且可以提高储存环的平均流强，使同步光的亮度和强度比现有技术大大提高。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细说明，本实施例仅是对本发明作更清楚的说明，而不是对本发明的限制。

实施例1：一种生产同步光的方法，包括以下步骤：（1）电子产生：通过电子枪产生电子束，并注入电子加速器内；（2）电子加速：电子束在电子加速器内被加速至100MeV；（3）电子注入：加速后的电子束通过电子注入系统注入电子储存环中；（4）电子储存环中偏转：电子储存环中，K=1000，电子束在偏转磁场的作用下沿储存环轨道发生偏转，从而在沿着弯转轨道切线方向或直线管道方向上实现发射出连续谱的同步光。

本发明方法产出的同步光通过光束线引出后，经需求加工（如分光、准直、聚焦等）便可输送至用户进行研究或利用。

本发明采用低能量电子输入法，只需要电子加速器稍微加速至设定的能量即可，可直接使用现有的直线加速器，也可使用更为低能量的电子加速器，而现有同步辐射光源普遍使用的电子增强器可以完全拆除，从而简化了生产设备，大大降低了设备生产、运行成本；同时，能耗较现有技术低至成千上百倍，节能效果显著，而产生的同步光（如X射线波段、真空紫外波段等）的质量与波段保持不变。

实施例2：一种生产同步光的方法，包括以下步骤：（1）电子产生：通过电子枪产生电子束，并注入电子加速器内；（2）电子加速：电子束在电子加速器内被加速至50MeV；（3）电子注入：加速后的电子束通过电子注入系统注入电子储存环中；（4）电子储存环中偏转：电子储存环中，K=800，电子束在偏转磁场的作用下沿环形轨道发生偏转，从而在沿着偏转轨道切线方向上实现发射出连续谱的同步光。

实施例3：一种生产同步光的方法，包括以下步骤：（1）电子产生：通过电子枪产生电子束，并注入电子加速器内；（2）电子加速：电子束在电子加速器内被加速至20MeV；（3）电子注入：加速后的电子束通过电子注入系统注入电子储存环中；（4）电子储存环中偏转：电子储存环中，K=535，电子束在偏转磁场的作用下沿环形轨道发生偏转，从而在沿着偏转轨道切线方向上实现发射出连续谱的同步光。

实施例4：一种生产同步光的方法，包括以下步骤：（1）电子产生：通过电子枪产生电子束，并注入电子加速器内；（2）电子加速：电子束在电子加速器内被加速至10MeV；（3）电子注入：加速后的电子束通过电子注入系统注入电子储存环中；（4）电子储存环中偏转：电子储存环中，K=100，电子束在偏转磁场的作用下沿环形轨道发生偏转，从而在沿着偏转轨道切线方向上实现发射出连续谱的同步光。

实施例5：一种生产同步光的方法，包括以下步骤：（1）电子产生：通过电子枪产生电子束，并注入电子加速器内；（2）电子加速：电子束在电子加速器内被加速至2MeV；（3）电子注入：加速后的电子束通过电子注入系统注入电子储存环中；（4）电子储存环中偏转：电子储存环中，K=550，电子束在偏转磁场的作用下沿环形轨道发生偏转，从而在沿着偏转轨道切线方向上实现发射出连续谱的同步光。

实施例6：一种生产同步光的方法，包括以下步骤：（1）电子产生：通过电子枪产生电子束，并注入电子加速器内；（2）电子加速：电子束在电子加速器内被加速至0.5MeV；（3）电子注入：加速后的电子束通过电子注入系统注入电子储存环中；（4）电子储存环中偏转：电子储存环中，K=800，电子束在偏转磁场的作用下沿环形轨道发生偏转，从而在沿着偏转轨道切线方向上实现发射出连续谱的同步光。

实施例7：一种生产同步光的方法，包括以下步骤：（1）电子产生：通过电子枪产生电子束，并注入电子加速器内；（2）电子加速：电子束在电子加速器内被加速至400MeV；（3）电子注入：加速后的电子束通过电子注入系统注入电子储存环中；（4）电子储存环中偏转：电子储存环中，K=800，电子束在偏转磁场的作用下沿环形轨道发生偏转，从而在沿着偏转轨道切线方向上实现发射出连续谱的同步光。

实施例8：一种生产同步光的方法，包括以下步骤：（1）电子产生：通过电子枪产生电子束，并注入电子加速器内；（2）电子加速：电子束在电子加速器内被加速至250MeV；（3）电子注入：加速后的电子束通过电子注入系统注入电子储存环中；（4）电子储存环中偏转：电子储存环中，K=535，电子束在偏转磁场的作用下沿环形轨道发生偏转，从而在沿着偏转轨道切线方向上实现发射出连续谱的同步光。

实施例9：一种生产同步光的方法，包括以下步骤：（1）电子产生：通过电子枪产生电子束，并注入电子加速器内；（2）电子加速：电子束在电子加速器内被加速至300MeV；（3）电子注入：加速后的电子束通过电子注入系统注入电子储存环中；（4）在储存环中，电子束在偏转磁场（k=25）的作用下沿环形轨道运动；（5）沿储存环直线节方向产生高亮度、高强度的同步光。

实施例10：一种生产同步光的方法，包括以下步骤：（1）电子产生：通过电子枪产生电子束，并注入电子加速器内；（2）电子加速：电子束在电子加速器内被加速至30MeV；（3）电子注入：加速后的电子束通过电子注入系统注入电子储存环中；（4）电子束在偏转磁场(k=10)的作用下沿环形轨道运动；（5）沿储存环直线节方向产生高亮度、高强度的同步光。

实施例11：一种生产同步光的方法，包括以下步骤：（1）电子产生：通过电子枪产生电子束，并注入电子加速器内；（2）电子加速：电子束在电子加速器内被加速至200MeV；（3）电子注入：加速后的电子束通过电子注入系统注入电子储存环中；（4）在储存环中，电子束在偏转磁场（k=5）的作用下沿环形轨道运动；（5）沿储存环直线节方向产生高亮度、高强度的同步光。

实施例12：一种生产同步光的方法，包括以下步骤：（1）电子产生：通过电子枪产生电子束，并注入电子加速器内；（2）电子加速：电子束在电子加速器内被加速至450MeV；（3）电子注入：加速后的电子束通过电子注入系统注入电子储存环中；（4）在储存环中，电子束在偏转磁场（k=50）的作用下沿环形轨道运动；（5）沿储存环直线节方向产生高亮度、高强度的同步光。

Claims

1.一种生产同步光的方法，包括以下步骤：电子产生、电子加速、电子注入、电子储存环中偏转，其特征在于，所述储存环中电子的能量≤500MeV。

2.根据权利要求1所述生产同步光的方法，其特征在于，所述储存环中电子的能量≤50MeV。

3.根据权利要求1或2所述生产同步光的方法，其特征在于，使低能状态的电子在储存环中发生偏转，并在插入件产生同步光；所述插入件包括扭摆器和波荡器；所述储存环中弯转磁铁的偏磁比K≤100。

4.根据权利要求3所述生产同步光的方法，其特征在于，所述储存环中弯转磁铁的偏磁比K≤20。