請扭擺

■小溪/文

■L老師/審校

想象得出么，接近光速的電子束在蛇形軌道上扭擺起來之後會發生什麼？現在來回答這個問題難度不算大，可在70年前這還是個高深的問題。

基於帶電粒子在電磁場作用下，沿彎轉軌道行進時會沿軌道切線方向發出電磁輻射的原理，讓電子束經過周期性排列的磁場不斷偏轉方向，近似作正弦曲線的蛇行——「扭擺」起來。經過精心設計的周期性磁場，可使電子束在扭擺中沿切線方向不斷發出的電磁輻射(被稱為「同步輻射」)獲得更優異的性能。

意外的發現

20世紀初，根據電磁場理論，理論研究學者預言：真空中接近光速的相對論電子束在彎轉磁場作用下作曲線運動時，會沿著彎轉軌道切線方向發射連續譜的電磁輻射。20世紀20年代，有人首次提出了建造圓形運行軌道電子感應加速器的構想。1940年，第一台電子感應加速器由克斯特(Donald William Kerst)在美國伊利諾斯州大學建成，相關學者們對理論上預言的在切線方向發射電磁輻射而造成的加速器能量受損很感興趣，發表了大量研究論文，不過那時誰也沒真正見到過這種電磁輻射。

克斯特與第一台電子感應加速器(圖片來自網路)

1946年，英國建成了世界上第一台電子同步加速器，緊接著，美國通用電氣公司在紐約的斯克內克塔迪實驗室也建成了一台電子同步加速器，為便於觀察真空室里電極的位置，他們設計了透明的真空室，沒想到這竟促成了意外的發現。1947年4月的一天，加速器在調試時電子槍有打火的現象，不知究竟發生了什麼事，厚厚的水泥屏蔽牆外什麼也看不到。一名技術人員在屏蔽牆外通過一面鏡子的反射進行觀察，他看到了加速器的透明真空室中有小而亮的「弧光」。此時，真空室的真空度很好，「弧光」不可能由氣體放電引起，關掉了電子槍后「弧光」依然存在。很快便弄清楚了，這「弧光」正是此前理論預言的那種電磁輻射，因首先在同步加速器上被發現，稱為「同步加速器輻射」，簡稱為「同步輻射」。

同步輻射示意圖(圖片來自網路)

首次觀測到同步輻射光(圖片來自網路)

加速器專家們為同步輻射造成的電子束流能量損失而苦惱，但有人卻悉心研究著同步輻射獨特的用處，很快便認識到同步輻射光是一種優良的光源。為用戶提供同步輻射光開展研究的科學裝置被稱為「同步輻射裝置」或「同步輻射光源」。

同步輻射光源具有常規光源不可比擬的優異性能，它的應用研究不僅涉及物理學、化學、生物學等基礎學科，而且還廣泛應用在材料科學，表面科學，計量科學、醫學、顯微技術、超大規模集成電路的光刻等技術領域的研究中。

近半個多世紀以來，同步輻射光源的發展已經歷了數代：

■「第一代」

1973年，美國斯坦福直線加速器中心(SLAC)的高能物理加速器SPEAR儲存環開始開展同步輻射的應用研究。之後，國際上有多台高能物理加速器作為兼用同步輻射光源向開展研究的用戶開放——被稱為「第一代」。

北京正負電子對撞機上的北京同步輻射裝置BSRF(Beijing Synchrotron Radiation Facility)1992年開始運行，屬第一代。

1981年前後，基於低發射度儲存環技術的優勢，一批發射度較前大大降低、亮度大大提高的

陸續建成——被稱為

。第二代同步輻射光源不受需要首先滿足高能物理實驗要求的技術限制，因此可針對開展同步輻射應用研究的用戶要求，在束流的能量、流強、發射度等方面進行優化，光源的性能得到了大幅度提高，光源亮度達101516

第一代、第二代同步輻射光源主要利用電子束經過加速器彎轉磁鐵發出的同步輻射光。至20世紀70年代末，開始在加速器彎轉磁鐵之間的直線段插入一種產生周期性磁場的部件——稱為「插入件」(InserctionDevices)，以得到性能更好的同步輻射光，第二代同步輻射光源開始使用少量的插入件。

科學技術大學國家同步輻射實驗室的合肥光源HLS(Hefei Light Source)1992年開始運行，屬第二代。

20世紀90年代中期，一批以低發射度和採用大量插入件為特徵的高亮度同步輻射光源建成——被稱為「第三代」，光源亮度可達1018-1019(比二代光源高2個數量級)。例如：歐洲的ESRF(EuropeanSynchrotron Radiation Facility)、美國的APS(Advanced Photon Source)、日本的SPring-8(SuperPhoton ring-8)等。

2009年開始運行的上海光源SSRF(ShanghaiSynchrotron Radiation Facility)、1994年建成的台灣光源TLS(Taiwan Light Source)以及2015年投入運行的台灣光子源TPS(TaiwanPhoton Source)屬第三代。

■「第四代」

由於科學技術發展的新需求，將最新的插入件技術與加速器技術結合起來可使光源性能獲得飛躍性的提高，光源的平均亮度應達到1020-1022(比三代光源高2-3個數量級以上)。例如：基於直線加速器的自由電子激光FEL(Free Electron Laser)、能量回收直線加速器光源ERL(EnergyRecovery Linac)、衍射極限儲存環USR(Ultimate Storage Ring)等。

讓電子束扭擺

由上可見，同步輻射光源的性能與「插入件」有著密切的關係。

究竟什麼是「插入件」呢？

插入件是一種特殊的組合磁鐵，根據不同的需要，將方向相反的「磁極對」按照所設計的順序排列(一般為周期性結構)，沿束流運動方向產生周期性變化的磁場。當電子束經過這樣的周期性磁場區時，會被往複地、周期性地偏轉方向，近似作正弦曲線的蛇行「扭擺」運動，電子束在扭擺偏轉中發出同步輻射光。

插入件結構示意圖(圖片來自網路)

插入件的基本性能取決於以下物理參數：周期長度、磁間隙、峰值場強及偏轉參數k(表達電子束在不同偏轉位置發出的輻射光相互重合程度)。插入件主要分扭擺磁鐵和波盪器，偏轉參數K >> 1時，稱為扭擺器(wiggler)，K值較小時稱為波盪器(undulator)。

扭擺器與波盪器的對比示意圖(圖片來自網路)

扭擺器的磁場強度較大，周期較長，周期數較少。電子束進人扭擺器后，在不同極取向磁鐵的強磁場作用下，作較大幅度、近似正弦曲線的扭擺運動，小半徑處所輻射的光子能量範圍向高能量移動，從而達到增加高能量光子數的目的。扭擺器能局部提供更強的磁場，使同步輻射波長向短的方向移動，輻射功率也得到增強。扭擺器產生的同步輻射光的亮度、強度等性能遠優於由彎轉磁鐵所發出的同步輻射光，因此大大擴寬了其應用範圍。

扭擺器結構示意圖(圖片來自網路)

用扭擺磁鐵產生同步輻射的設想，是美國哈佛大學劍橋電子加速器CEA (Cambridge Electron Accelerator)的魯濱遜(K. W. Robinson)1956年提出的。1966年，CEA建成了第一個扭擺器，但並沒用在同步輻射光源上。

1979年，第一個真正用於同步輻射光源的扭擺器(7個周期、長1.2米)安裝在美國斯坦福同步輻射光源SSRL(Stanford Synchrotron Radiation Lightsource)上，提供了有史以來最強的X射線束。1980年，斯坦福正負電子非對稱環SPEAR(StanfordPositron Electron Asymmetric Ring)上安裝了一個長2米的扭擺器。

1980年安裝在SPEAR上的扭擺器的下半部分(圖片來自J. Faust)

由於扭擺器的輻射總功率較大，接收端光學元件的發熱問題比較嚴重，早期在能量較低的同步輻射裝置上使用較多，而在能量較高的同步輻射裝置上，更多使用的是波盪器。

波盪器的結構與扭擺器類似，但波盪器不注重用以提高出射光子的特徵能量，而主要用來提高輻射光子的數量。波盪器的磁鐵磁場強度較低，周期較短，磁周期數很多(往往由幾十個甚至上百個磁鐵對組成)，電子束進人波盪器后，往複偏轉幅度較小，每個周期中發出的同步輻射發生干涉(兩列或幾列光波在空間相遇時相互疊加，在某些區域始終加強，在另一些區域始終削弱，形成穩定的強弱分佈)，且主要集中在很小的錐角內。正由於干涉效應，不同磁周期上產生的同步輻射光部分相干地疊加在一起，使同步輻射光的亮度得到成百上千倍的增加。

波盪器結構示意圖(圖片來自網路)

1947年，俄羅斯的金茲堡(Vitaly Ginzburg)發表論文，從理論上證明了建造波盪器的可能。1949年，施溫格(Julian Schwinger)發表論文，闡述了如何解決波盪器設計中參數計算的難點。1952年，美國斯坦福大學的莫茲(Hans Motz)等人製成了首台驗證用波盪器，高速電子束通過波盪器時形成周期性擺動，在條件合適時就會產生相干的電磁輻射。第一個真正用於同步輻射光源的波盪器有30個周期，1981年安裝在美國斯坦福同步輻射光源SSRL上。

世界第一台實際應用的波盪器(圖片來源：SLAC)

插入件按使用材料可分為電磁型、永磁型(包括純永磁型、混合型)。

電磁型用電磁鐵產生橫向磁場，通過改變線圈電流調節磁場強弱，調節方便，不需機械驅動，較容易獲得較強磁場，但它的穩定運行需要大功率的高穩定電源，且電磁鐵體積大，無法在短周期(小於10厘米)條件下使用。

純永磁型用稀土永磁材料磁化而成的上下兩排永磁塊排列而成。一般每個周期有四塊磁塊，且磁塊的磁化方向依次旋轉90度(稱為Halbach結構)。沿著束流方向形成磁極間隙空間內垂直分量磁場的周期性變化，構成插入件磁場。其優點是用較短的周期即可得到磁場強度較高的波盪器磁場，同時無需勵磁線圈、配套電源等設備。但因每個永磁塊的尺寸、磁化強度和方向均存在一定偏差，永磁塊的測量、選配和組合優化的工作量非常大。

純永磁型插入件結構示意圖(圖片來自網路)

混合型用高導磁性材料作為磁極來導引相鄰磁極間永磁塊的磁流，形成周期性磁場分佈。混合型的優點是在磁塊間隙與周期之比小於0.4時，可獲得比純永磁結構更高的峰值磁場，高導磁性的磁極形狀和位置主導了磁場的分佈，可以調節永磁塊磁性分佈誤差，從而降低了對永磁塊尺寸、磁化強度和方向的要求，大大減少了永磁塊測量、選配和組合優化的工作量。但混合型的磁場諧波分量較大，設計磁場的計算相對複雜。

混合型插入件結構示意圖(圖片來自網路)

第三代同步輻射光源基本上已淘汰了扭擺器，而波盪器的新品種層出不窮。因波盪器磁單元的幾何結構決定了所輻射光的偏振狀態，波盪器的設計就涉及到「光的偏振」。

因光波是電磁波，一般用電場和磁場沿空間的交叉傳播來描述光波——在空間某點，電場強度(電矢量E)以及磁場強度(磁矢量H)隨時間變化。光波的電矢量E(也稱光矢量)和磁矢量H都與傳播方向垂直，光波屬於橫波，而橫波則具有偏振性。

若光矢量的振動方向限於一確定的平面內——光矢量的末端軌跡為直線，稱為平面偏振光或線偏振光；若光矢量隨時間作有規則地改變——光矢量的末端軌跡在垂直於傳播方向的平面上呈圓形或橢圓形，則稱為圓偏振光或橢圓偏振光。偏振光也稱為「極化光」。

光波傳播示意圖(圖片來自網路)

同步輻射光源中使用的波盪器大多數是平面型波盪器，周期磁鐵的磁極平面為平行排列，高速電子沿x坐標方向來回偏擺產生線偏振輻射光，但輻射光的偏振狀態不可改變。

隨著科學的發展，對物質結構、磁性、電性、自旋和手型等各種不均勻性的研究特別需要偏振狀態可以調節的光源，需要能提供不同輻射光偏振狀態的波盪器。

螺旋型波盪器是周期磁鐵的磁極排列在不同的極化模式下，通過調節不同磁極序列的相對位置，可同時產生水平和垂直兩個方向的磁場，形成螺旋型的磁場分佈，使高速電子在空間沿光傳播的z坐標方向螺旋形前進，產生圓偏振或橢圓偏振輻射光。例如，橢圓極化(偏振)波盪器可提供多種偏振模式的輻射光。

幾種類型的永磁平面螺旋型橢圓極化波盪器磁結構示意圖(圖片來自網路)

隨著技術的發展，插入件的結構也出現更多樣化的趨勢，例如：結構更加複雜的APPLE-KNOT、准周期、超短周期波盪器等。

新型的准周期波盪器，通過兩相鄰磁極間距離的准周期化來抑制傳統波盪器(磁場周期性排列)產生的高次諧波(導致信噪比下降及單色性降低)，在很多光源上得到應用。

歐洲光源ESRF的准周期波盪器結構示意圖(圖片來自網路)

義大利光源ELETTRA的橢圓極化准周期波盪器結構示意圖(圖片來自網路)

超短周期的微型波盪器屬於第四代光源所需的重大關鍵部件，相關的探索正在進行：日本KEK用一種全新的磁化方法研製周期長僅為4毫米，總長100毫米的微型波盪器。上海光機所利用超強超短激光與金屬絲的相互作用研製一種微型瞬態電子波盪器。

日本KEK研製中的超短周期微型波盪器(圖片來自網路)

微型瞬態電子波盪器示意圖(圖片來自網路)

「插入件」在加速器儲存環的直線段插入，儲存環上的多個直線段可以安裝多個插入件。插入件的後端可引出單條或多條不同類型的光束線，並建立相應的實驗站提供給不同需要的應用研究單位使用。

從插入件引出光束線及實驗站示意圖(圖片來源：Diamond)

成員眾多的大家族

插入件從20世紀70年代起開始應用於同步輻射光源，隨著相關技術的成熟，一些插入件已成為同步輻射光源的標準配件。同時，插入件技術與超導、低溫等先進技術相結合，在縮短磁周期長度、提高磁場強度等方面不斷發展，技術日趨完善。以下展示的是部分類型的插入件。

真空外插入件無論是扭擺器還是波盪器，本身不涉及真空技術，但因電子束需在真空管道中運行，真空管道的佔位使插入件的磁間隙調節受到一些限制，對插入件的工作磁場強度和同步輻射光性能有一定的影響。

北京同步輻射裝置BSRF的永磁扭擺器1W1(7周期)，為漫散射實驗站、X射線吸收精細結構實驗站提供實驗光束(圖片來自網路)

北京同步輻射裝置BSRF的多極永磁扭擺器1W2(30磁極頭，7周期，周期長22厘米，間隙為3.5厘米時場強1.6T)，為小角散射實驗站、生物大分子實驗站提供實驗光束(圖片來自網路)

合肥光源HLS的永磁波盪器UD-1(總長2.7米，29個周期，磁間隙可在36~96毫米間變動)，為原子分子物理實驗站提供實驗光束(圖片來自網路)

高能物理研究所為歐洲X射線自由電子激光裝置EXFEL研製的高性能超長波盪器樣機U48(長5米)(圖片來自網路)

大連極紫外相干光源DCLS(世界唯一)的波盪器陣列(總長18米，波長在50納米到150納米間連續可調)，可產生世界上最亮的脈衝和波長可調的極紫外光源，在化學、物理、生物、能源、材料、環境等重要科學領域有著極為廣泛的應用(圖片來自網路)

美國直線加速器相干光源LCLS-II的永磁波盪器(圖片來自網路)

真空內插入件是將磁極置於真空室內。這樣，當加速器束流注入時可將磁間隙拉開(減少對注入的影響)，而正常運行時可將磁間隙調節至很小，對提高插入件的工作磁場強度和同步輻射光的性能十分有利。

真空內波盪器細節(圖片來源：DESY)

真空內扭擺器的磁場強度高，磁周期長，使用的永磁材料體積大，造成真空室的體積和容量增大，技術難度相當大。國際上應用較多的是真空內波盪器，一般磁間隙小於10毫米，周期長為20-30毫米，磁場峰值強度小於1 T。

北京同步輻射裝置BSRF的真空內永磁扭擺器4W2(11周期，周期長148毫米，磁間隙可調範圍12-120毫米)，為高壓實驗站提供實驗光束(圖片來自網路)

上海光源SSRF的真空內混合型永磁波盪器(80周期，周期長25毫米，最小磁間隙7毫米，最大峰值磁場強度0.95 T) (圖片來自網路)

歐洲同步輻射光源ESRF的真空內波盪器(圖片來自網路)

瑞士同步輻射光源SLS的真空內混合型波盪器(圖片來自網路)

日本同步輻射光源SPring-8的真空內混合型波盪器(圖片來自網路)

插入件常用的永磁磁塊材料有釹鐵硼(NdFeB)及釤鈷(SmCo)，釹鐵硼材料具有較高剩磁，而釤鈷材料的抗輻射能力較強。對於較小磁間隙的波盪器來說，抗輻射能力弱的永磁塊在輻射環境下會產生嚴重的退磁而大大降低波盪器的使用壽命，因此這類插入件的磁塊一般採用釤鈷材料。

如果將釹鐵硼磁塊置於低溫條件下，其抗輻射能力大大增強，低溫波盪器已在一些光源上取得較好效果，發展前景很好。未來，低溫波盪器有取代真空內波盪器的趨勢。

英國同步輻射光源DIAMOND的低溫混合型波盪器(圖片來自網路)

上海光源SSRF的首台低溫永磁波盪器CPMU(右)(左為17U常溫真空內波盪器) (圖片來自網路)

超導技術與插入件技術的結合產生了超導插入件。

超導扭擺器的峰值磁場強度大大提高，且大大增強了垂直方向的聚焦力，工作點的允許偏移量可達普通扭擺器的十倍左右。20世紀70年代末，首台超導扭擺器安裝於前蘇聯BINP的VEPP-3儲存環上。之後，超導扭擺器在多個同步輻射光源中有應用。

合肥光源HLS的單周期超導扭擺器，為生物大分子結構研究提供光束(圖片來自網路)

西班牙同步輻射光源ALBA的超導扭擺器(圖片來自網路)

從發展趨勢看，超導波盪器已成為第三代同步輻射光源的關鍵性設備，其集超低溫技術、超高真空技術、精密機械傳動和控制技術等多項高端技術於一體，是提高同步輻射光源性能的重要手段。

超導波盪器的相關技術基本由發達國家壟斷，國際上僅在德國的ANKA、瑞典隆德大學同步光源研究國家實驗室MAX-LAB、美國斯坦福大學的FIR-FEL等極少數光源上有應用。2016年，中船重工屬下的鵬力科技集團為上海光源研製成功國內第一個超導波盪器，標誌著在這一領域的技術水平已開始躋身世界一流。

美國APS光源的超導波盪器SCU的試驗樣機(周期長16毫米，總長0.34米，以後達1.14米、2.3米)(圖片來自網路)

德國ANKA光源的超導波盪器SCU15(100周期，周期長15毫米，總長1.5米)(圖片來自網路)

英國同步輻射光源DIAMOND的超導波盪器(圖片來自網路)

上海光源SSRF研製中的超導波盪器(圖片來自網路)

平面波盪器只產生線偏振光，且偏振狀態不可改變，螺旋波盪器可產生光源用戶所需的圓偏振或橢圓偏振光，偏振狀態的調節依靠機械機構的傳動，只是速度較慢，調節后的輻射波長也會發生改變。

瑞士光源SLS的橢圓極化雙波盪器(圖片來自網路)

上海光源SSRF的雙橢圓極化波盪器DEPU，總長約5米(由兩台周期長分別為58毫米和148毫米的APPLE-II型可變橢圓極化波盪器組成)(圖片來自網路)

2000年，美國阿貢國家實驗室ANL的吉米(K. J. Kim)提出了一種交叉型平面波盪器的概念，兩個交叉放置的平面波盪器分別產生的水平與垂直光場相干疊加，可通過調節交叉平面波盪器中間的移相器來實現輻射光場偏振狀態的快速改變。

2014年3月，上海深紫外自由電子激光實驗裝置(SDUV-FEL)上在國際上首次成功地將交叉平面波盪器、高精度電磁移相器和分振幅偏振測量儀等設備集於一體，實現了自由電子激光脈衝偏振態的任意調控。

上海深紫外自由電子激光實驗裝置SDUV-FEL的交叉型平面波盪器(圖片來自網路)

上海光源SSRF的橢圓極化波盪器(APPLE-KNOT型)(圖片來自網路)

高能所為合肥光源做的准周期波盪器(應用於燃燒實驗站)為國際同類實驗中亮度最高的實驗站(圖片來自網路)

半個多世紀的實踐證明，同步輻射光源已成為眾多學科前沿領域必不可少的研究手段，它對科學技術發展影響的廣度和深度是其它大科學裝置所無法比擬的。

「十三五」期間，將建設一台儲存環電子能量為5 GeV，亮度、發射度超越世界目前同步輻射光源先進水平的第三代光源——高能光子源HEPS(High Energy Photon Source)。HEPS具備建設90條以上高性能光束線站的容量。同時，HEPS的發射度還能進一步降低以獲得更高的亮度，達到衍射極限光源的水平，這將保證在未來很長時間內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(具備建設60條以上光束線站的容量)、X射線自由電子激光試驗裝置SXFEL等新的先進光源也都需大量技術含量高的新型插入件。有理由相信，的插入件技術將突飛猛進在國際上佔有重要的地位。

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