1、第四代光源(Fourth Generation Light Source)現代光源的發展回顧.什么是第四代光源?我們為什么需要第四代光源?第四代光源的技術支持和主要形式.什么是能量修復直線加速器(ERL)?什么是自增益自發輻射自由電子激光器(SASE-EFL)? 儲存環, ERL和X-EFL的比較.世界已建成和計劃建造的ERL和EFL.現代光源的發展回顧粒子物理 (Particle Physics)直線加速器 (Linac)儲存環 (Store Ring)第三代同步輻射光源 (3rd Generation SR)(更多更好的插入件)第一代同步輻射光源 (1st Generation SR)(附

2、屬產物)第二代同步輻射光源 (2nd Generation SR)(插入件的應用)自由電子激光器 (Free Electron Laser)自增益自發輻射自由電子激光器(Self-Amplified Spontaneous Emission EFL)能量修復直線加速器(Energy recovery Linac)第四代光源(4th Generation Light Source)遠紅外FEL紅外/可見光FEL紫外/真空紫外FELXUVEFL什么是第四代光源？*追求更高的性能是發展第四代光源的根本目標，從這個角度我們可以將第四代光源定義為性能更高的光源，其主要參數，例如亮度、相干性 (完全橫向相

3、干)、脈沖長度和波長范圍等，應比現有的光源高出一個或者幾個數量級。其次之外第四代光源還應具有：1.更低的輻射度；2.可變的脈沖結構；3.高穩定性。我們為什么需要第四代光源？1) 15年來，同步輻射和自由電子激光器裝置在歐洲和世界已經取得了極大的成功： *許多主要裝置的發展都獲得成功； *另一方面, 所有項目在預算內都令人矚目地達到和超越了預期的目標; *用戶數量仍然在快速增長,所有裝置的供光時間都預定一空,常常接納不了如此眾多的用戶 ; *譜學用戶比十五年前更廣泛和多種多樣,特別是在生命科學方面的需求增長迅速 ; *在這個領域已經產生了一個諾貝爾獎,和許多其他第一流水平的成果 2) 目前基與儲

4、存環的先進光源技術還沒有達到它的極限,例如穩定性、亮度、 光通量、相干性和偏振性等許多方面的改進仍然是可能的;3) 正在涌現出的新技術應主要歸功于在歐洲和美國進行的深入研究，這些技術是 以LINAC而不是儲存環為基礎的；基于X射線發射的LINAC技術可以分為兩個分支： *能量恢復的LINAC技術（ERL）; *基于SASE（自放大的自發輻射機制）的X射線自由電子激光器技術. 今天我們有:*循環率*穩定性*可調性*偏振*亮度我們還需要:*相干性*功率*fs脈沖*衍射極限*亮度生物大分子結構研究為什么需要新光源？結構的重要性生物大分子的功能主要取決于其結構。只有在獲得相應分子的結構后才能深入地研究

5、其功能和生化過程。生物大分子的結構不僅對于生物學基本問題，而且對于基因工程、藥物設計等重大應用領域都至關重要。由于結構研究而獲得的諾貝爾獎光和作用中心，1988年化學獎；ATP合酶，1997年化學獎；鉀離子通道，2003年化學獎。這些都是膜蛋白。占蛋白總數大約30%的膜蛋白具有極其重大的意義，在目前的技術水平下獲得結構卻是一個非常困難的任務。目前獲得結構的主要手段晶體學方法的瓶頸必須得到單晶；生物大分子的結晶是很困難的，需要花費大量時間和精力；膜蛋白的結晶更加困難，幾乎是不能完成的任務。膜蛋白大分子組合體 許多生物上重要的系統是難以或無法結晶的 解決的方法探測器分子相干光源利用一束相干性很好、

6、強度很高的X光來照射分子，記錄下相干散射的強度，也能得到分子中原子的結構。溶菌酶核糖體(蛋白質和核酸的復合體)的結構模擬的相干散射譜金屬蛋白結構動力學 (10-100fs)關鍵：光源目前的光源（包括第三代同步輻射）還不能提供足夠的強度和相干性；能夠滿足條件的光源是：自由電子激光。可能的問題分子損傷：極高的強度會使分子完全離解，但是新一代光源可以在分子離解之前就得到足夠的信號，計算機模擬證實了這一點。相位問題：過采樣技術（over sampling）可以解決這個問題。探測技術：需要發展。實驗技術：如何獲得單分子的散射信號，需要研究。XFEL作用下溶菌酶分子的離解新一代提供的其他機遇極快的脈沖提供

7、了研究生物大分子在發揮功能時結構變化的研究手段；不僅在靜態，而且在動態的情況下得到結構，使我們能夠對生物大分子結構和功能的研究進入到一個全新的領域。fspsnsmsmsshr10-1510-1210-910-610-31103光子吸收化學鍵振動熒光衰減大分子構象變化大分子布朗運動蛋白質配位結合光合作用集合相變受體信號有絲分裂胞吞受體相互作用信號轉導蛋白質折疊聚合酶翻轉細胞凋亡結論新一代為生物大分子結構研究提供了一個前所未有的機遇。大大提升了我們獲得結構的能力。提供了更重要的結構變化的研究手段。復雜體系研究為什么需要新光源？這些研究包括芯片、催化劑、半導體材料、傳感器等功能材料和器件表面電子結構

8、、原子結構、磁結構的時間分辨研究；涉及到IT產業、化學化工、軍事等領域的應用。XFEL可以提供光斑小于20nm的探針，能夠研究到電荷、自旋和軌道有序的區域運動的動力學過程。深入研究巨磁阻材料、高溫超導等復雜體系的結構和功能關系LaCaMnO體系相圖電荷、自旋、軌道的stripe-like結構利用聚焦的、高強度、時間分辨的光源可有效的研究這些動力學過程，揭示結構和功能之間的關系。磁共振散射：XFEL能夠研究磁疇中電荷和自旋相互作用的動力學過程。飛秒時間分辨的結構分析利用XFEL的時間分辨特性，可以探測在光誘導表面反應中原子幾何結構的變化。超高分辨X射線發射譜XEL（X射線發射譜）能夠研究原子內部

9、的價電子及其相應的電子軌道、電荷密度變化過程。有機/無機復雜體系研究：Cu110表面甘氨酸單分子吸附研究。表面相互作用及催化：Ni100表面CO的吸附過程的時間和空間分辨研究。水分子動力學研究XFEL提供的超快時間分辨和超高能量分辨使得研究水分子在不同狀態的振動過程成為可能飛秒量級的時間分辨實驗研究納米體系的磁化過程對提高磁性存儲密度具有重要意義。飛秒量級的時間分辨的磁性全息成像能夠研究磁疇的形成對提高磁性存儲密度具有重要意義。原子、分子和團簇物理 為什么需要新光源？Structural model of LaC82an icosahedron(20面體)Clusters原子分子和團簇物理是我

10、們理解光子和原子相互作用的一把鑰匙.許多表面敏感的方法,如X射線譜學和衍射不適合極少量的單散團簇分析,因此在團簇物理方面,特別是幾何和電子結構方面留有大量的研究空白.目前為止,大多數作為模型的金屬團簇(如Ptn,Rhn,Pdn)的結構還未知.原子分子和團簇方面應用直接觀測原子中多空穴的形成直接觀測K殼層電子的多光子電離過程觀測團簇中的庫侖大爆炸分子和團簇動態和結構的研究計算表明:三聚體以等邊三角形穩定四聚體以菱形穩定化學位移應該不同團簇異構體J. Phys. Condens. Matter 9, L39 (1997)Phys. Rev. B 47, 1567 (1993)兩種吸附狀態J. Am

11、. Chem. Soc. 121, 3214 (1999)分子的吸附結構吸附是分離的還是完整的?是物理吸附還是化學吸附?電荷轉移多大?氧化態是多少?團簇結構是否因吸附而改變?新光源能夠加深理解幾何和電子結構所起的作用.通過探測配位體的中心軌道區分吸附位置.其他光源不能得到團簇和分子的X射線衍射譜,因為粒子密度太低.團簇的結構大多由間接的方法或計算得到.估算表明: 當XFEL光束聚焦到300nm時,在一個FEL脈沖內就能記錄下單個團簇的衍射譜.直接從散射花樣中獲得結構信息.可獲得團簇粒子相對于光束的定向信息.相對于宏觀晶體來說,單個團簇粒子的衍射能夠獲得相位信息.超強的單個飛秒級X射線脈沖用于分

12、子或團簇的衍射分子和原子團簇衍射含有212121個Au原子的團簇兩個探測器坐標直接得到結構信息獲得相位信息計算值X-ray 散射圖案/lcls/papers/LCLS_experiments_2.pdf.多光子電離過程Atomic Physics Experiments, in LCLS : The First Experiments, Stanford (2000)估計對于氖原子的K殼層：有可探測的原子數目在小于空穴弛豫時間的尺度內連續或同時吸收兩光子，產生兩空位。非線性光子原子相互作用是激光光譜的主要研究領域即使對第三代同步輻射光源,研究非線性過程,內殼層的X射線雙光子或多光子激發或電離的

13、截面太小,而探測不到.高亮度高強度的XFEL則是可行的.團簇是單分子到塊體的橋梁.便于理解從原子分子到塊體的過渡與形成.能推廣到研究塊體的輻照損傷.新一代光源沒有傳統的激光場的強烈干擾,便于研究動態過程.團簇研究中的動力學過程聚焦X-ray.庫侖排斥過程團簇動力學過程研究Phys. Rev. Lett. 82, 3783 (1999)提供了一個研究團簇和納米晶實時動態熔化過程的機會.結合其他方法區分表面熔化和體內熔化.以往的研究都沒有原子核運動的直接信息,利用新光源結合可見光激光的Pump-probe技術提供了直接實時觀測團簇振動和變形的可能性.提供飛秒級的動態結構信息.團簇的表面吸附過程光學

14、激發 X-ray探測相變和原子團簇的熔解J. Chem. Phys. 109, 9401 (1998).實驗裝置示意圖新一代光源的應用可以使人們對物質世界的認識上升到一個新的層次新一代光源的應用可以開拓科學研究的新領域新一代光源所帶來的認知革命還不能完全預知總結超導技術的發展；長波蕩器和超導波蕩器；光陰極射頻槍 (注入系統)；能量修復直線加速器(ERL)；自由電子激光器(FEL)；自增益自發輻射技術(SASE) ； 第四代光源的技術支持第四代光源的主要形式最主要的有以下兩種形式：1.能量修復直線加速器(Energy Recovery Linac)；2.X射線自由電子激光器(X-ray Free

15、 Electron Laser)。其它的設計還有：使用長波蕩器的儲存環；使用長波蕩器的多道加速循環光源； ERL技術的研究主要集中在美國，俄羅斯對此技術也做出了重要貢獻。X-FEL技術的研究集中在歐洲（主要是德國的HASYLAB）和美國（主要是ARGONNE和STANFORD）。什么是能量修復直線加速器?原理: 直線加速器(Main Linac)維持一個共振的電磁場, 這個共振電磁場的功能是將電子加速和減速(依賴于電子位置和共振電磁場位相的關系). 注入器(Injector)注入的一束電子通過一些光學器件在環中繞行一周后回到加速器的低能入口處, 此時共振電磁場的位相變化1800, 電子束將在共

16、振場中做減速運動, 并將能量交給共振場, 然后通過直線加速器, 被引出丟棄. 此時, 注入器將重新注入一束新的電子, 共振場將獲得的能量交給新注入的電子束, 使新注入的電子得以加速. 這樣, 經過多次循環后, 電子束的能量將越來越高, 最終達到一個平衡狀態(電子速度越高, 在環中繞行時的輻射損失就越大).能量修復直線加速器(ERL)和傳統儲存環的最大區別是: ERL循環的是電子束的能量而不是電子束本身!ERL的優異特性:1. 發散度極低(=儲存環);5. 衍射極限光源;6. 脈沖長度小(100fs) 有關ERL的文章傳統的自由電子激光器直線加速器產生的電子束團經入口處的偏轉磁鐵進入扭擺磁鐵,并

17、在那里產生輻射,然后經過另一偏轉磁鐵引導系統之外丟棄. 產生的輻射一部分穿透右邊的反射鏡, 而另一部分則被反射回來, 經左邊反射鏡的輻射, 在向右傳播的同時與剛進入的電子束發生相互作用. 在激光電場和扭擺磁鐵磁場的聯合作用下, 束團將被切割成尺度小于輻射波長的微束團, 微束團將產生相干的電磁輻射. 如此重復多次,激光強度不斷放大知道達到飽和狀態.什么是自由電子激光器?自增益自發輻射自由電子激光器(SASE-EFL)SASE-EFL關鍵的技術是使用了長周期的波蕩器. 當電子在波蕩器中做振幅很小的扭擺運動時會輻射出電磁波, 輻射出的電磁波與電子束處在相同的路徑, 因而使得電子束的輻射增大. 因此,

18、 SASE-EFL的輻射功率與N2(N為波蕩器的周期數)成正比, 而不是N.自由電子激光器的發展歷史SASE-EFL或者X-EFL的優異特性:1. 極高亮度, 峰值功率是現有X射線源的1010倍;2. 空間和時間相干性;3. 短脈沖(100fs);4. 波長可調;5. 線偏振和圓偏振; 儲存環和ERL的比較 Storage Ring*電子束在水平和垂直方向的尺寸不等;*環限制了電子束長度;*補充能量;*決定電子束發散度的是儲存環的磁結構;*長時間常數低可變性. ERL*電子束的截面是圓形或者正方的;*環對電子束長度沒有限制;*能量修復;*光注入器決定電子束的發散度;*短時間常數可變性.ERL和X-EFL的比較 ERL*直線加速器 + 波蕩器;*低電子束填充在單通道中;*高循環率(high rep-rate);*同時可引出多個束線. X-EFL*