德国物理技术研究院(PTB)的同步辐射辐射度学研究

　　一、PTB/BESSYⅠ工作介绍

　　PTB的BESSYⅠ的许多工作都是为欧洲航天局(ESA)和美国宇航局(NASA)的太阳辐射学和天文学服务的。标定的光源包括氘灯、空心阴极灯、等离子体光源;标定的探测器有半导体二极管,发光二极管、光电记数探测器等。光学元件如光栅,透镜,滤光片的光学特性及光谱仪的光谱响应都能得到标定。在PTB的BESSYⅠ有六条实验工作线站,见表1。

　　在这六条线上,PTB的研究重点是辐射学基础,使用同步辐射建立辐射度学的基准,标准都建立在柏林,特别是电子储存环能提供从红外到X射线范围的辐射度标准。

　　二、以光源为基准的辐射度学

　　根据经典电动力学的基本原理,美国物理学家Schwinger推导出描述同步辐射光源光谱功率分布公式,这是建立同步辐射辐射度学的基础。当相应的电子储存环的基本参数和几何尺寸都被精确测定以后,如运动粒子能量,束流强度,磁场强度,光阑尺寸和光阑相对于同步辐射光源切点的距离,可以通过Schwinger公式计算出同步辐射光的光谱功率分布。

　　测量储存环电子能量所采用的方法是由在弯转磁铁的磁场中的运动电子自旋偏振,通过一高频磁场,可以达到共振消偏由共振频率可以确定电子束流的能量。通过测量自旋相关的电子-电子的扫描信号就能表明退偏。

　　为了测量1mA以上的电子束流,可利用感应的原理,使用两个螺旋管形的直流束线电流转换器。储存环内的少量储存电子,如小于1nA的电子束流,电子的能量随时间逐步损失,其向外辐射的同步辐射能量的强度也逐步减小(可由液态N2冷却的光电二极管探测器测得其损失)。因此,电子流的大小可通过电子的数量、电子已知的衰减周期、基本电荷确定。

　　到目前为止,在一弯转磁铁内的磁场是用一个原子磁共振探针来测量的。此外,同步辐射源也必须考虑其偏振特性的影响。图1所示为BESSYⅠ和BESSYⅡ工作在其各自的标称电子能量值时,储存环轨道平面内的辐射强度计算值。BESSYⅠ的电子能量800MeV,从1eV到15keV光子能量的光谱范围内,辐射功率(辐射光子流)的相对不确定度均小于0·4%。图1所示为电子储存环BESSYⅠ和BESSYⅡ在储存环平面、带宽为1%光子能量范围内的辐射强度(电子能量BESSYⅠ为800MeV、BESSYⅡ为1700MeV,工作电流为1mA);氘灯在1%光子能量范围内的辐射强度和空心阴极灯光源(线谱)。

　　为了用绝对法校准一个二级辐射源标准,将其与一个作为基准的储存环进行直接比较,测量时使用一个可转动的单色仪—探测器系统,它可分别接受两个具有近似相同几何条件的光源的辐射,见图2(a)。举一个例子,图1中所示PTB的辐射强度标准标定的氘灯和空心阴极灯,其中空心阴极灯是有许多线光谱的光源。这些标准的相对不确定度分别是lu=5%和lu=10%。对X射线能散探测器的校准是直接对测量发散的同步辐射光来确定非发散的辐射光。如图2(b)。为了修正探测器的能量分辨率,其响应函数必须由一个合适的单色仪通过相对测量决定。确定探测器效率的相对不确定度可达lu=1%。