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Sandbox Physics
物理仪器怎样测量

同步辐射的光怎样送到样品上

样品只有针尖那么大,研究者却要让一束 X 射线准确落到它上面,还希望每个光子的能量接近相同。光源提供很多光,光束线负责从中选出实验需要的部分。样品收到多少,得沿着整条路来算。

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先让电子反复转弯

储存环里的高速电子经过磁场时,飞行方向会改变,并发出光。沿一段直线排上交替磁极,电子便轻轻左右摆动。这样的装置叫波荡器;电子前进时,每一段摆动都贡献一小段辐射。

在合适的方向与光子能量上,这些光的振动会叠加增强,于是能量分布里出现突出的峰。另一些能量处也能增强,形成更高次的谐波。调磁场可以移动这些峰,实验因而有机会选到所需的 X 射线。

来源:[1][2]

狭缝同时筛选方向和能量

把两块挡板之间的开口关小,一部分光就撞在挡板上。离光源很远时,这个小窗口主要接受较窄的一段飞行方向。波荡器发出的光,能量和方向又彼此相关,选方向也会改变通过窗口的能量分布。

每秒通过指定窗口的光子数叫通量。描述谱亮度,还要说明光来自多大的源区、分布在多窄的方向和能量范围里。另一个词“相干性”描述光场振动之间的关系;要判断它,需要光场或干涉的信息。

来源:[3]

两块晶体选出一小段能量

晶体内部的原子排成一层层规则平面。X 射线从不同晶面散出,走过的路稍有差别;当这个差别恰好对得上波长,反射就增强。这是布拉格反射。转动晶体,会改变满足条件的波长,也就改变选出的光子能量。

双晶单色器让光连续反射两次。第一块晶体选能,第二块把方向转回去。若要换能量后出口仍在同一高度,第二块还得沿着合适的方向移动。单独把它转偏一点,可能同时损失光子、偏移出射束;下游样品便会缺光。

2dsin⁡θ=nλ2d\sin\theta=n\lambda
d 是晶面间距,θ 是光线与晶面的夹角,λ 是波长,整数 n 表示反射级次。相同角度可对应不同级次,因此能量读出也很重要。

来源:[4][5]

镜面把光送到焦点

硬 X 射线通常要贴着镜面,以很小的角度掠过,才能得到有用的反射。弯曲的镜面逐渐改变光的方向,让它在下游会聚。常见的 KB 聚焦系统用两面镜子,分别控制水平和垂直方向。

焦点附近,光挤在较小的区域;样品沿光路移开,看到的束斑便可能变宽。镜子的长度和宽度有限,涂层也不会反射全部入射光。小束斑、能量范围与送达通量,都要放在同一条光路上权衡。

来源:[6][7]

最后量的是样品改变了多少光

测透射时,先量空束,再放入样品,之后再量一次空束。前后空束接近,才适合把样品读数与它们比较。探测器的效率、电子学响应和采集时间,也要靠独立参考换算。

样品更厚,通常会有更少的光留在原来的前进方向。知道材料和光子能量后,透射变化能帮助估计厚度。其中既有吸收,也有散到别处的光;要算样品实际吸收了多少热,还需要更多信息。

来源:[8]

光束线围着实验来设计

不同实验会需要不同的能量范围、束斑与样品环境,因而同一座光源会配备多条光束线。以 HEPS 为例,2026 年 10 月 12 日的用户征集通知列出 11 月 30 日截止,预计从 2027 年 2 月安排实验。这是当时公布的安排;具体实验能用什么条件,仍要看各线站的开放说明。

来源:[9]

来源与延伸阅读

  1. ESRF · How does a synchrotron work?

    核读储存环、交替磁极插入件和实验光束线的说明。这里只采用部件角色,不引用页面中的亮度倍数。

  2. Kwang-Je Kim · X-Ray Data Booklet, §2.1

    核读周期磁结构、波荡器谐波和有限方向接受范围。

  3. Sanchez del Rio & Reyes-Herrera · Modelling undulators in ray tracing simulations (2025)

    核读 §2.1–2.4:角度与光子能量的关联、电子束尺寸和能散、光场反传与光线近似的范围。

  4. James H. Underwood · X-Ray Data Booklet, §4.1

    核读晶体部分与布拉格条件;采用晶面相长反射的解释,不移用表内历史晶格值。

  5. ESRF BM05 · Two-crystals Monochromator

    核读固定出口双晶几何,尤其是随角度变化而平移的第二晶体。

  6. Eric M. Gullikson · X-Ray Data Booklet, §4.2

    核读掠入射反射率、复折射率与表面粗糙度的说明。

  7. ESRF BM02 · KB Mirrors

    核读两面镜子分别进行水平和垂直聚焦;不将该线站的束斑或通量当作教学模型性能。

  8. NIST · X-Ray Mass Attenuation Coefficients, §2

    核读指数衰减式、质量厚度定义及总衰减中散射与吸收的区分。

  9. IHEP · HEPS second general-proposal call (12 October 2026)

    2026 年 11 月 12 日核读征集截止日与预计实验安排;未把计划当作已完成实验。

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