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同步辐射光学与工程(“十二五”国家重点图书规划项目)

同步辐射光学与工程
同步辐射光学与工程(“十二五”国家重点图书规划项目)
作者:徐朝银 编著

图书详细信息:
ISBN:978-7-312-03316-2
估价:54.00元
版本:1
装帧:平装
预计出版年月:201308
丛书名称:中国科学技术大学精品教材

图书简介:

  本书注重叙述同步辐射光学原理,密切结合实际,旨在使读者对同步辐射光学的基本理论和工程实践有较全面的了解.全书共7章,阐述4部分内容:一是同步辐射光源的基本构造、主要特性及参数计算;二是真空紫外和软X射线束线光学;三是X射线束线光学,这两部分分别阐述了束线光学在不同能区内的衍射和成像原理;四是束线光学工程,通过实际案例说明光束线设计规则和所涉及的各种典型装置与关键技术.

  本书是为满足中国科学技术大学“核科学与应用”学科点研究生教学需要而编写的,作为本领域研究生专业基础课的教材,也可作为涉足同步辐射研究和应用人员初期的参阅资料.

前言:

  同步辐射是相对论性带电粒子在磁场作用下沿曲线轨道向前切线方向发出的电磁辐射,它凭借极其优良的品质成为当今不可替代的最佳人工光源.自20世纪60年代以来,电子储存环作为稳定产生同步辐射的专用装置,历经三个阶段的发展,业已完善,并相继建成了六十余台专用光源棋布于世界各地,成为众多研究领域的科学平台,不断产生出令人瞩目的创新成果.一批从事同步辐射光学研究和束线建设的团队也应运而生,开拓束线光学的新领域,探索研制新元件,强劲地推动了同步辐射应用技术的发展.
  同步辐射是包含从红外到硬X射线的连续光谱,一般不能直接使用,需要通过各种元件把它加工成满足实验对光谱能量、光子通量、能量分辨、偏振特性、束斑尺寸等要求的单色光线,安全、可靠、高效地传输到实验样品上,作为探针来测量物质的各种信息.完成这一功能的同步辐射装置称为光束线(Beamline),光束线连接着电子储存环和实验站,是各类元件的优化组合,线性排布于真空室内,形成数十米甚至上百米长的大型光学传输系统.随着光源发射水平的日趋提高和各领域对先进研究手段的不断需求,以光学设计和元件研制为主体的光学束线技术得到了长足发展,逐渐形成了同步辐射光学独特的理论体系与工程实践,成为同步辐射应用研究的重要内容.
  本书是为满足中国科学技术大学“核科学与应用”学科点研究生教学需要而编写的教材.作者从1983年开始涉足同步辐射光学研究与工程实施,历经三十余年的亲身实践,如今借为研究生授课之机,欲将对该领域的认识进行系统的总结,将积累的经验和收集的资料进行整理和提升,编写成授课讲义.经过十余年的教学提炼和多次修改,最终形成这部教材,作为本领域研究生专业基础课内容传授给青年学生,也希望能为初步涉足同步辐射研究和应用的人员提供参考,起到开门见山、抛砖引玉的作用.该书在注重叙述同步辐射光学理论的同时,力求紧密结合实践,列举大量的实际例子,使读者对束线光学和工程概貌有较全面的了解.
  全书共分7章,阐述了4个方面的内容.第1章简要介绍了同步辐射光源的主要特性、参数和基本构造及同步辐射的发展历史和应用前景.第2章和第3章是同步辐射真空紫外和软X射线光学,重点介绍了以光栅为色散元件的各种光栅单色器的光学结构与分光性能,分析了凹面光栅在束线光学中的成像理论与像差.第4章和第5章是同步辐射X射线光学,重点介绍了以晶体为色散元件的各种晶体单色器的光学结构与分光性能,分析了掠入射反射镜的各种面形误差对X束线成像的影响,给出了在同步辐射X射线中特有的各种微束聚焦元件及其光学特性.第6章和第7章是同步辐射束线工程,介绍束线工程中的典型装置和相关技术,包括前端保护装置、铍窗及滤波器、波长扫描机构、晶体和聚焦镜的弯曲技术、热载缓释与低温冷却技术及束流位置探测器,最后将上述内容集为一体构成同步辐射独有的传输装置——光束线,并通过真空紫外束线和X射线束线的两个设计实例,说明将同步辐射光学理论付诸工程实施的基本原则.
  本书虽经过一段时间的教学相长、切磋推敲、改错补新,但书中相当一部分内容出自作者本人的体会,其概念、言辞未必严谨和规范,加上书中内容涉及面广,受到自身学术水平限制,定有许多不足之处,衷心希望广大读者和各位同仁批评指正.

 

徐朝银
2013年6月

 

目录:

总序(ⅰ)

前言(ⅲ)

第1章同步辐射光源及应用简介(1)

1.1同步辐射技术(1)

1.1.1同步辐射的由来与发展(2)

1.1.2同步辐射装置(8)

1.1.3同步辐射三种辐射方式(13)

1.2同步辐射的主要特性(18)

1.2.1相对论性的电子辐射(18)

1.2.2辐射频率与角分布(19)

1.2.3辐射脉冲与频谱连续(20)

1.2.4辐射的偏振性(23)

1.3辐射强度计算(24)

1.3.1弯转磁铁辐射(25)

1.3.2波荡器辐射(28)

1.3.3扭摆器辐射(33)

1.3.4螺旋型波荡器辐射(35)

1.3.5光源计算实例(38)

1.4同步辐射应用(43)

1.4.1同步辐射应用机理(43)

1.4.2同步辐射应用实例(45)

1.5同步辐射光束线(53)

参考文献(56)

第2章光栅衍射与成像的基本理论(58)

2.1光栅衍射理论基础(58)

2.1.1简述光栅衍射原理(58)

2.1.2光栅的色散性能(62)

2.1.3光栅衍射强度分布(65)

2.1.4闪耀光栅的特性(68)

2.2光栅衍射效率(72)

2.2.1近似电磁理论的简化计算(72)

2.2.2光栅结构参数优化(78)

2.2.3光栅相对衍射效率及测量(82)

2.3凹面光栅成像理论(85)

2.3.1光程函数与像差(86)

2.3.2凹面光栅面形系数(89)

2.3.3像差和面形精度对分辨率影响(91)

2.3.4多元成像像差(92)

2.4罗兰圆成像原理(98)

2.4.1罗兰圆成像光学结构(98)

2.4.2罗兰圆成像的像散消除(101)

2.4.3分辨率和光栅最佳刻画面宽度(103)

2.5菲涅耳波带片在同步辐射束线光学中的应用(104)

2.5.1菲涅耳波带片生成原理(105)

2.5.2波带片的衍射和成像(107)

2.5.3波带片在同步辐射成像技术中的应用(110)

参考文献(111)

第3章束线光栅单色器(113)

3.1正入射光栅单色器(114)

3.1.1SeyaNamioka光栅单色器(114)

3.1.2MonkGillieson光栅单色器(120)

3.2掠入射球面光栅单色器(SGM)(126)

3.2.1Grasshopper光栅单色器(126)

3.2.2固定包含角球面光栅单色器(CDSGM)(130)

3.2.3变包含角球面光栅单色器(VDSGM)(134)

3.3柱面元件单色器(CEM)(138)

3.3.1CEM单色器光学结构与特点(138)

3.3.2CEM单色器性能分析(140)

3.3.3CEM/SEM单色器设计(143)

3.4环面光栅单色器(TGM)(147)

3.4.1TGM结构参数选择与优化(147)

3.4.2改进型TTGM单色器(150)

3.4.36mTGM(TTGM)单色器(154)

3.5平面光栅单色器(PGM)(156)

3.5.1PGM单色器光学结构(157)

3.5.2SX700平面光栅单色器(161)

3.6变线距光栅在同步辐射束线光学中的应用(165)

3.6.1自聚焦变线距平面光栅单色器(VSPGM)(165)

3.6.2高分辨变线距球面光栅单色器(VSSGM)(169)

3.6.3VSG光栅对SX700和Dragon单色器的升级改造(175)

参考文献(178)

第4章束线晶体光学与晶体单色器(181)

4.1劳厄衍射与布拉格衍射(182)

4.1.1晶体的点阵结构(182)

4.1.2劳厄衍射方程(183)

4.1.3布拉格衍射方程(185)

4.2简述晶体衍射动力学原理(188)

4.2.1双束近似与色散面(188)

4.2.2晶体衍射强度分析(191)

4.2.3晶体衍射基本参数(196)

4.3束线光学图解法(199)

4.3.1X射线晶体衍射与传输图解(200)

4.3.2双晶衍射图解(206)

4.3.3曲面晶体聚焦图解(210)

4.3.4高次谐波的消除与图解(213)

4.4X束线晶体单色器(215)

4.4.1固定束线输出位置的双晶体单色器(215)

4.4.2固定束线输出位置的曲面切槽晶体单色器(218)

4.4.3弧矢聚焦晶体单色器(227)

4.4.4LaueBragg晶体单色器(238)

4.4.5X束线柱面(三角)弯晶光学(242)

参考文献(254)

第5章X束线聚焦光学(256)

5.1X射线反射与表面粗糙度(256)

5.1.1全反射与反射率(256)

5.1.2表面粗糙度对反射率的影响(259)

5.2X射线聚焦与面形误差(264)

5.2.1束线光学的聚焦模式(264)

5.2.2面形误差(268)

5.2.3面形误差对成像束斑的影响(273)

5.3聚焦镜面形弯曲(274)

5.3.1面形弯曲原理(274)

5.3.2弯曲应力分析(278)

5.3.3弯曲面形检测(279)

5.4多层膜反射(衍射)元件(283)

5.4.1束线光学中的多层膜结构(283)

5.4.2多层膜反射镜单色器(288)

5.4.3软X射线多层膜衍射光栅(293)

5.5X射线微束成像元件(299)

5.5.1KB椭圆柱面镜(299)

5.5.2微束聚焦波带片(PFZP)(307)

5.5.3X射线布拉格菲涅耳透镜(BFL)(312)

5.5.4毛细管光学透镜 (CFL)(316)

5.5.5X射线复合折射透镜(CRLs)(320)

参考文献(326)

第6章典型装置与相关技术(329)

6.1束线前端保护装置(329)

6.1.1束线前端设置与功能(329)

6.1.2储存环真空保护(331)

6.1.3辐射安全保护(334)

6.1.4辐照热载保护(335)

6.2铍窗与滤波器(341)

6.2.1铍窗组件(342)

6.2.2铍窗力学结构分析(348)

6.3波长扫描(352)

6.3.1直角联动机构(353)

6.3.2凸轮机构(355)

6.3.3正弦机构(356)

6.3.4离轴转动机构(358)

6.4晶体和聚焦镜的压弯机构(361)

6.4.1机械压弯技术(362)

6.4.2压电弯曲(374)

6.5热载缓释与冷却(377)

6.5.1晶体热变形(377)

6.5.2水冷却技术(380)

6.5.3液氮冷却技术(388)

6.5.4非冷却热缓释技术(399)

6.6同步辐射束流位置探测器(400)

6.6.1探丝型束流位置探测器(401)

6.6.2刀片型束流位置探测器(404)

6.6.3金刚石薄膜型束流位置探测器(409)

6.6.4荧光辐射束流位置探测器(413)

6.7六杆并联支撑机构(414)

参考文献(419)

第7章束线工程设计(422)

7.1束线工程设计原则(422)

7.2NSRL X射线衍射束线设计(实例1)(426)

7.2.1科学目标和光源选择(426)

7.2.2束线光学结构(428)

7.2.3前置聚焦镜(431)

7.2.4双晶单色器(436)

7.2.5波长标定与性能测量(443)

7.3NSRL表面物理束线设计(实例2)(447)

7.3.1物理要求与光学结构(447)

7.3.2前置聚焦镜(448)

7.3.3变包含角球面光栅单色器(452)

7.3.4工作模式与特性(457)

7.3.5零级光标定与离轴转动误差分析(459)

参考文献(463)

附录(464)

附录1世界各国同步辐射光源一览表(464)

附录2世界各国自由电子激光器一览表(466)

附录3同步辐射应用涉及的学科与相关实验技术(467)

附录4同步辐射光栅单色器光学结构、主要性能及扫描方式比较(468)

附录5X射线微束聚焦元件及性能(471)

附录6同步辐射晶体单色(多色)器光学结构、主要性能及扫描方式比较(473)

附录7Spring8同步辐射装置上的光束线和实验站平面布置图(475)

附录8NSRLX射线衍射束线结构图(476)



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