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同步辐射光源在X射线pump-probe应用

作者:三宝兴业     发布时间:2018年11月21日     阅读次数:435

同步辐射是电子在作高速曲线运动时沿轨道切线方向产生的电磁波,因是在电子同步加速器上首次观察到,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,由于电子在图形轨道上运行时能量损失,故发出能量是连续分布的同步辐射光。

同步辐射装置建立以X射线环为主同时兼顾VUV 的储存环,因为X射线环能提供硬X射线、软X射线或和紫外及可见光到红外的光谱分布。


1 上海同步辐射装置(SSRF)结构的平面示意图

由于自由电子激光(FEL)技术的发展和成功应用,以及在电子储存环的应用,从自由电子激光(FEL)中引出同步辐射已经实现。其同步辐射光源的标志性参数为:①亮度高,达1020ph·S-1·mrad·mm-2·(0.1BW)-1②相干性。要求空间全相干 ,即横向全相干;③光脉冲长度要求到皮秒级,甚至小于皮秒级;④多用户和高稳定性。同步辐射光源的一大特点是多用户和高稳定性,可同时有数百人进行试验。

利用同步辐射实验技术能够开展众多学科的实验研究,应用领域十分广泛。例如:生命科学、医药学、材料科学、凝聚态物理、化学领域等。图1是同步辐射的试验方法和应用领域。


表一:同步辐射实验方法和应用领域

最近几年,基于同步辐射的激光泵浦-X射线探测技术逐渐被关注。在各大同步辐射实验室中,立陶宛Light Conversion公司的高重复频率高功率固体飞秒激光器(PHAROS HP)作为泵浦激光,激光脉冲能量最高可达400μJ,最高平均功率25W,重复频率单脉冲到1MHz 可调,脉冲宽度290fs−20ps 可调,基频波长1030 nm。另外,激光器配有倍频器,可以输出波长为515nm的二倍频和波长为343nm 的三倍频激光脉冲。

在基于同步辐射的激光泵浦-X 射线探测实验中,激光脉冲与X射线脉冲的重复频率成倍数关系,通常,同步辐射X 射线脉冲频率较高,激光脉冲重复频率决定了实验的计数率。因此利用PHAROS HP高重复频率激光器可以提高超快X 射线衍射(Ultrafast X-ray Diffraction, UXRD)实验中X 射线的计数率,提高实验的角度分辨率。

实验装置:图2给出了UXRD 实验装置的示意图。图2(a)为实验系统构成图。PHAROS HP高重复频率高功率激光器与同步辐射射频信号同步[13],可编程延迟器(PDL)用于调节激光脉冲与X 射线脉冲之间的时间延迟。激光经透镜聚焦,样品处光斑大小约350 μm (FWHM)。X 射线通过毛细管透镜聚焦,样品处光斑大小约为70 μm (FWHM)。利用二维X射线探测器的门控功能探测单束团X射线脉冲的衍射信号。图2(b)是超快X 射线衍射装置示意图,包括毛细管聚焦透镜、样品、Ce:YAG 晶体、低温液氮喷枪、CCD 、激光光束和X 射线光束。其中Ce:YAG 晶体和样品安装在同一个样品架上,用于调节激光和X 射线的空间重合。


2中两条实线代表了激光和X 射线的传播光路

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