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什麼是同步加速器光源 ?

「光」一向是人類觀察及研究大自然不可或缺的憑藉,廣義地說,所有電磁波都可以叫做光。電磁波這個家族中依波長長短而言,無線電波波長最長,適合用來觀察宇宙恒星巨大的世界,微波用於觀測飛機、船艦和颱風,紅外線是夜視系統和飛彈追蹤熱源所用的波長,可見光是我們肉眼唯一看見的波長範圍,紫外線用於觀察氣體分子及凝態物理電子結構,X光是研究晶體結構極佳的工具,波長最短的伽瑪射線則可用來探索原子核內的世界。


同步加速器光源也是電磁波的一份子,為一連續波段的電磁波,涵蓋紅外線、可見光、紫外線及X光等,1947年首次在美國通用電器公司同步加速器上意外地被發現,因此命名為「同步輻射」或「同步加速器光源」。

同步加速器光源發展

二十世紀初,同步加速器是高能物理學家專門用來找尋基本粒子與探索宇宙本質的重要工具。自從同步加速器光源被發現後,一些物理和化學家們利用高能物理研究的空檔,使用加速器所產生的光做研究,後人便稱此類與高能物理研究共用的加速器為第一代同步加速器光源。

1970年代,科學家們逐漸體認到同步加速器光源的優異性,於是紛紛開始興建專門為產生同步輻射光的加速器,這就是所謂的第二代同步加速器光源。

1980年代,科學家們提出一個構想,在儲存環中裝入特別的插件磁鐵,例如增頻磁鐵或聚頻磁鐵,藉此使電子由偏轉一次變成多次偏轉,同步加速器光源的亮度則可提高一千倍以上,這便是第三代同步加速器光源。

目前全世界約有七十座實驗用的同步加速器,其中第三代加速器於1990年後陸續建造完成,而我國同步加速器是在1993年完工啟用,成為少數最先完成的第三代同步加速器光源設施之一。

同步加速器光源的特色

同步加速器光源具有以下特性:


強度極高

波長連續

準直性佳

光束截面積小

具有時間脈波性與偏振性


若以X光為例,同步加速器光源在這個波段的亮度比傳統X光機還要強百萬倍以上!過去需要幾個月才能完成的實驗,現在只需幾分鐘便能得到結果。以往因實驗光源亮度不夠而無法探測的結構,現在藉由同步加速器光源,都可分析得一清二楚,也因此於近年內許多新的研究領域得以開發。

同步加速器光源的產生
注射器 | 傳輸線 | 儲存環 | 插件磁鐵 | 光束線 | 實驗站
根據電磁學的理論,帶電粒子的運動速度或方向改變時會放射出電磁波。當電子以接近光速飛行,受到磁場的作用而發生偏轉時,便會因相對論效應沿著偏轉的切線方向,放射出薄片狀的電磁波,這就是「同步加速器光源」。
以國家同步輻射研究中心加速器為例,由注射器(1)產生之電子經由傳輸線(2)進入儲存環(3),電子在環中經過偏轉磁鐵或插件磁鐵(4)會產生同步加速器光源,經過光束線(5)導引到達實驗站(6),研究人員便可使用光源進行實驗。
(1)注射器
電子束由電子槍產生後,經過直線加速器加速至能量為五千萬電子伏特,電子束進入周長為七十二公尺的增能環後,繼續增加能量至十五億電子伏特,速度非常接近光速(0.99999995倍)。
注射器規格
注射能量: 1.5 GeV 注射頻率: 10 Hz

線型加速器能量:

50 MeV
注射環周長: 72 m 增能環高頻: 499.654 MHz    
(2)傳輸線
注射器產生的電子束經由傳輸線進入儲存環,
傳輸線的長度為七十公尺。
(3)儲存環

電子束進入六邊形設計、周長為一百二十公尺的儲存環後,環內一系列磁鐵導引電子束偏轉並維持在軌道上,如此一來,電子束便能於每一圈的運行中在偏轉磁鐵切線方向或插件磁鐵下游放出同步輻射光。由於電子會因輻射而損失能量,因此環內裝置高頻系統,用來補充電子的能量。
 
儲存環規格
最高能量 : 1.5 GeV 自然發射度 : 2.5 x 10 -8 m-rad
最高電流,多團 : 300 mA 高頻 : 499.654 MHz
最高電流,單 團 : 25 mA 諧振數 : 200
光束生命期 (1.5 GeV, 200 mA) : > 9 h 轉彎半徑 : 3.495 m
周長 : 120 m 臨界光子能量 : 2.14 keV
軌道週期 : 400 ns 射束長度 : 25 ps
週期數 : 6 安裝插件磁鐵最大長度 : 4.5 m
磁格型式 : Triple bend achromat    

(4)插件磁鐵(增頻磁鐵/聚頻磁鐵)
插件磁鐵為一系列極性交錯排列的磁鐵,當電子束經過時,會產生多次偏轉。若將磁場強度提高,可使所放射出之同步加速器光譜提升至更高能量,如柔X光甚至硬X光,此類插件磁鐵稱為增頻磁鐵。若將磁場交替的空間週期變短,使帶電的電子擺動幅度變小,放出的同步光可在特定光譜形成建設性干涉,大大提昇光亮度,此類插件磁鐵稱為聚頻磁鐵。

(5)光束線
光束線是同步加速器光源與實驗站之間的一座橋樑。理論上,在每一處電子偏轉的地方或插件磁鐵的直線下游,都可以打開一個窗口,利用光束線將同步加速器光源導引出來,最後到達實驗站。

(6)實驗站
同步加速器光源經由光束線的導引照射到實驗站的試樣後,研究人員藉由量測反射、繞射、散射及穿透試樣的光之強度、能量及試樣被光子激發出之電子及離子,可以進一步推斷物質幾何、電子、化學或磁性結構。