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title: "同步辐射光束线互动实验｜Sandbox Physics"
description: "光源很亮，为什么样品收到的光仍会很少？狭缝限制方向，晶体选取能量，镜面把通过的光送向焦点。"
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last_modified: "2026-11-13"
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# 同步辐射光束线

**光源很亮，为什么样品收到的光仍会很少？** 狭缝限制方向，晶体选取能量，镜面把通过的光送向焦点。样品收到的通量由整条光路决定；经过独立标定的计数，才支持通量与透射率的比较。

让波荡器的光穿过狭缝、双晶单色器和两面聚焦镜，再读屏像素与侧向计数，比较选能、聚焦和透射。

> 交互仿真：在浏览器中打开本页，即可调整参数并运行模型。

### 选能、聚焦、再测量

六种已计算情形可以采集；其他设置仅作模型预览。可拖动装置上的金色旋钮探索。

比较情形 选取能量 / keV 10 狭缝开口 / mm 0.8 第二晶俯仰 / µrad 0 铝箔厚度 / µm 100

光源强度与焦点位置

波荡器强度 K 1.3411 样品离焦距离 / mm 0

正在准备默认测量……

模型假设

给定 6 GeV、0.2 A 电子束的有限周期平面波荡器教学模型，电子束尺寸和发散为设定值。光子预算覆盖 8–36 keV 和相对电子方向 ±100 µrad 的有限积分域，电子相空间另作卷积。双晶体与有限椭圆柱面 KB 镜逐次判断实际表面接触，复振幅保留偏振和相位。屏图是另一次可撤屏曝光，不是透射计数时的同时观测。弱碳膜端口的瑞利和康普顿散射经独立整条响应参考标定；侧计数本身不是样品光子通量。每格探测器各有读出门和速率范围。推断仅使用原始读出及独立参考，传播共享标准误差；不辨识的反射级次、截屏、参考失效与数值精度不足须保留相应限制。探测器不能分辨单色器的窄带宽。给定模型不包含完整储存环、热变形、实际镜面面形与光束线振动；光斑采用几何光线与给定电子相空间卷积，未进行整条光路的相干波传播；读出的标准不确定度不包含这一近似与真实波动光学的差异。绝对亚像素对准尚无模型精度保证。模型路径慢放，横向尺寸另作放大，均不表示真实光速或装置比例。

## 光怎样走到样品上

**背景** 一束光经过狭缝、晶体和镜面后，只剩下被这条光路接受的那一部分。每秒到达样品的光子数，取决于沿途各个元件。

**为什么值得理解** 选得更窄、聚得更小，往往要付出光子数量的代价。把光路和读数一起看，才能分清光在哪里减少。

- **核心问题**: 源头够亮，样品为什么仍然缺光？
- **一句话直觉**: 狭缝选方向，晶体选能量，镜面改变会聚位置；侧计数经过独立标定后才能换算通量。

### 核心数学模型

#### 晶体选择的波长

$$
2d\sin\theta=n\lambda
$$

晶面间距 d 与入射角 θ 决定相长反射的波长 λ，n 为反射级次。已知角度还要结合独立能量读出，才能分清级次。

#### 夹测空束得到透射率

$$
T=\frac{\Phi_{\mathrm{sample}}}{(\Phi_{\mathrm{before}}+\Phi_{\mathrm{after}})/2}
$$

分子为放入样品后的已标定通量；分母来自前后两次空束测量。两次空束若不稳定，透射率停报。共享标定误差按相关量传播。

#### 在给定材料下估计厚度

$$
t=-\frac{\ln T}{\mu(E)}
$$

这里 μ 是给定铝材料的总衰减系数，样品面与中央光线正交。角度改变时要用实际穿过箔片的路程。总衰减包含吸收与离开原束的散射，不能直接叫作热沉积。

### 常见难点

#### 侧计数与通量

**容易误解** 计数器每秒记下多少次，样品就收到多少个光子。

**正确理解** 弱采样膜只把极少量光散到侧面，探测器也有自己的接受范围与响应。独立整条响应参考才支持换算。

#### 亮度与相干性

**容易误解** 光更多、束斑更小，就能直接知道光的相干性。

**正确理解** 通量描述到达的光子数量。相干性描述光场之间能否维持稳定关系，需要相应的场或干涉信息。

### 动手实验

1. 01

   #### 先追一遍光路

   切换“两块晶体”“两面聚焦镜”和“样品与计数器”，再看默认屏图与计数谱。

   **你会看到：** 两次晶体反射把光送回平行于入射束的方向；两面镜子分别改变两个横向方向的会聚。

2. 02

   #### 把门关小

   选择“狭缝关小了”，比较新测量与默认记录。

   **你会看到：** 狭缝截掉部分方向上的光，改变样品收到的通量。图变窄或尾部减少，并不能直接给出相干性。

3. 03

   #### 转偏第二块晶体

   选择“第二晶转偏了”，查看光路终点、侧计数和屏边缘。

   **你会看到：** 第二次反射的接受范围与出射方向一起改变。若屏漏接，仍保留像素，完整光斑的宽度不再有支持。

4. 04

   #### 离开焦点

   选择“样品离开焦点”，再比较两次独立屏曝光。

   **你会看到：** 样品接收面移动后，光斑会变宽；相机 PSF 和像素尺度由自己的参考给出。

5. 05

   #### 让样品更厚

   选择“透过的光变少了”，查看每格计数与透射率的不确定度。

   **你会看到：** 计数变少后，测量不确定度增大。参考或信号不足时，保留原始计数并停报相关厚度推断。

物理结论

光束线把光源的一部分光，送成样品所需的能量、方向和束斑。

## 相关实验与文章

物理仪器怎样测量 · 阅读路径

### 物理仪器怎样测量

这条阅读路径里用到本实验的文章，后面跟着它们推荐的其他实验。

1. [文章 **同步辐射的光怎样送到样品上**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/synchrotron-beamline/)

场、流体与物质 · 入门路径

## 从电场到电子显微镜

先看懂电场、学会操控带电粒子，再算出电子的波长，用电子束观察晶体和表面。

[从这里开始 → **看见电场** 在偶极子周围移动探针，看电场是不是总指向电势地形的下坡方向。 观察 · 8 分钟](https://sandboxphysics.com/zh/labs/electric-field/)

1. [1 看见电场](https://sandboxphysics.com/zh/labs/electric-field/)
2. [2 电荷在场中转弯](https://sandboxphysics.com/zh/labs/charged-particle/)
3. [3 电子波长与加速电压](https://sandboxphysics.com/zh/labs/electron-wavelength/)
4. [4 电子衍射与倒空间](https://sandboxphysics.com/zh/labs/electron-diffraction/)
5. [5 TEM 明场、暗场与选区衍射](https://sandboxphysics.com/zh/labs/tem-mode-selector/)
6. [6 SEM 二次电子表面形貌](https://sandboxphysics.com/zh/labs/sem-topography/)

[查看完整路径 →](https://sandboxphysics.com/zh/topics/fields-and-matter/#starter-path)