X射线光源的优化方案

2023-06-20 理论教育版权反馈

【摘要】：X射线衍射仪必须要有合适的X射线源，不同的样品对X射线源有不同的要求。X射线光源可分为普通X射线源和同步X射线源。目前世界上的第三代光源共有14台，包括位于上海浦东的同步辐射光源。图4-6上海光源结构平面示意图与一般X射线源相比较，同步辐射光源有如下特征：高强度（高亮度）：图4-7为各种不同类型的X射线的亮度比较。图4-7同步辐射光源光子亮度的进展和比较

X射线衍射仪必须要有合适的X射线源，不同的样品对X射线源有不同的要求。例如：对于密度、体积较大，所含元素的原子序数较高的样品，只有高能量的X射线才能穿过；对于生物样品及人体，则要求X射线的能力低一些；在进行X射线全息成像时，对光源的相干性要求较高。

X射线光源可分为普通X射线源和同步X射线源。

1.普通X射线源

实验室X射线源一般采用高能电子束激发金属靶发出X射线，即传统的X射线发生器。硬件上主要有X射线管、高压发生器、稳压稳流系统、控制操作系统和水冷系统。其中，X射线管是X射线发生器的核心部件，由发射电子的热阴极、使电子束聚焦的聚焦套和阳极靶三部分组成。阳极一般接地，为负高压状态。从本章第一节的介绍可以知道，经高压加速的电子束轰击阳极靶时，只有1%的能量转换为X射线，其余大部分能量都转化为热量，所以需要水冷系统对阳极靶进行降温。从靶面射出的X射线在空间有一个分布，大约在6°角的方向射线最强，所以在相应方向开窗口让X射线射出，即为X射线的有效焦点，有线状和点状两种。粉末衍射仪常用线焦点。

2.同步辐射光源

带电粒子在磁场中以接近光速偏转时，会在运动的切线方向上产生电磁辐射，最初是在电子同步加速器上发现的。故人们称这种由接近光速的带电粒子在磁场中运动时产生的电磁辐射为同步辐射［7］，由于电子在圆形轨道上运行时会产生能量损失，可发出能量连续分布的同步辐射光。

至今，同步辐射光源的建造经历了三代，并向第四代发展。第一代同步辐射光源是在为高能物理研究建造时于电子加速器和储存环上“寄生”地运行；第二代是专门为同步辐射的应用而设计建造的，把加速器上使电子弯转、散热等作用磁铁按照特殊的序列组装成Chasman-Green阵列，并应用于电子储存环内；第三代同步辐射光源的特征是使用大量的插入件（扭转磁体和波荡磁体）而设计的低发散度的电子储存环。目前世界上的第三代光源共有14台，包括位于上海浦东的同步辐射光源。

上海同步辐射光源简称“上海光源”（Shanghai Synchrotron Radiation Facility，SSRF），结构的平面示意图如图4-6所示。它由150 MeV电子直线加速器、3.5 GeV增强器、3.5 GeV电子储存环（周长为432米）以及沿环外侧分布的同步辐射光束线和实验站组成。SSRF设计为先进的第三代中能同步辐射光源，能同时产生从红外、可见光、紫外，到软X射线、硬X射线的同步辐射光。利用低发射度的中能强流电子束和国际上插入件技术发展的新成就，在用途最广泛的X射线能区（光子能量为0.1～40 keV）产生高耀度和高通量的同步辐射光，使其基本性能在许多重要方面位于目前世界上正在设计和建造中的光源的前列。

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