同步辐射在原子分子物理研究中的应用

学术 2024-07-31 08:00 上海

摘要

同步辐射是电子以接近光速做圆周运动或蛇行运动时，沿着运动轨道的切线方向发出的电磁辐射，或称为光。这种辐射覆盖了从红外线到硬X射线的宽幅波段，并且具有亮度高、相干性好等优点。特别是在软X射线和硬X射线波段，同步辐射光源是唯一兼具高亮度和波长可调谐的光源，为研究原子分子与光子的相互作用过程提供了高度精细的实验利器，并由此打开解析微观世界新的大门。文章从同步辐射的产生过程剖析其关键要素，并综述了同步辐射在原子分子物理研究中的最新进展。

作者｜丁伯承，吴睿昌，封云飞，黄健业，廖剑峰，金鑫，刘小井

上海科技大学大科学中心

同步辐射光源作为原子分子物理领域的先进工具，经过多年的发展已经成为深入研究原子分子微观世界不可或缺的手段。本文将追溯同步辐射光源的发展历程，剖析其产生过程中的关键环节和特性，如弯铁及辐射宽度、波荡器与周期、电子束及辐射强度、辐射相干性、光束线站与效率等。通过深入探讨同步辐射光源的技术特性，为其在原子分子物理领域中的广泛应用铺平道路。随后，文章聚焦于同步辐射在原子分子物理中的超快解离现象、离子光电离、单光子电离、分子坐标系光电子角分布、光致反应动力学等领域，并对最新研究成果进行详细阐述。同步辐射光源在原子分子物理领域的研究，使我们能够更深入地理解物质的基本性质，为未来科学探索提供丰富而精准的工具。

同步辐射的研究历程

1947年，在美国通用电气公司的同步加速器中人们首次观测到同步辐射现象。同步加速器是进行高能物理学(粒子或原子核物理学)实验的装置，原理是将电子束加速到高能后冲击到靶上。当时，每一次加速后的电子束能量非常离散，同步辐射的能量也相应离散，并不适合进行精密实验。20世纪70年代，研究人员开始在同步辐射中使用电子储存环，一种可以储存电子使其能长时间稳定地持续回转的装置。电子储存环中的电子束不是连续的直流，而是脉冲式的电子束，使同步辐射成为一种脉冲辐射。寄生于高能物理学装置的同步辐射装置被称为第一代同步辐射光源，如北京同步辐射装置。

20世纪80年代，世界各国的研究人员设计出同步辐射光源专用的加速器，即第二代同步辐射光源，如合肥同步辐射光源。利用第二代同步辐射光源，研究人员开展了更高水平的研究。与此同时，适合同步辐射光源的光学元件、光学系统以及探测器的研发也深入开展。此外，在储存环中设计了直线节，其中设置的插入件，即波荡器、扭摆器等，也得到研发。

20世纪90年代，随着同步辐射光源技术的不断发展，设置多个插入件的第三代同步辐射光源开始建造，如上海光源。第三代光源有望实现高分辨光谱、微小试样的显微测定、微区测定、低浓度试样测定、原子分子的电子或离子的符合测量等研究。第三代光源目的是得到高亮度的准单色光，是一种尽量减小电子束发射度的低发射度储存环。

第四代同步辐射光源是达到极低发射度的储存环光源，采用新的加速器结构获得极低的发射度，在束线设计中考虑了X射线的相干性，使其能达到更加优异的亮度和相干性，如2023年启动建设的合肥先进光源。

同步辐射的关键要素

2.1 弯铁及辐射宽度

来自弯铁的同步辐射是光滑的波长连续光谱，以临界(光子)能量u_c表示其特征，u_c (keV)=0.665E² (GeV)B(T)，E为电子能量，B为磁场强度。当电子能量相同时，光子临界能量与磁场强度成正比。普通电磁铁产生的磁场强度为1 T左右，而超导磁铁产生的磁场强度为4~10 T，因此在电子能量相同条件下，超导磁铁可以得到光子能量数倍的光，这一原理常常应用于扭摆器上。

来自弯铁的同步辐射垂直方向角的发散在临界能量u_c附近比较小，约为1/γ,其中，γ=E/(mc²) 为洛伦兹因子。mc²= 0.511 MeV为电子的静止能量(严格意义上，E是总能量，是加速能量与静止能量之和，对于高能电子而言，总能量E和加速能量基本没有差别)。垂直方向的角发散度依赖于光子能量，随光子能量减少而逐渐增大。来自弯铁的同步辐射在轨道面上观测是线偏振光，从轨道面的上方或下方观测则是椭圆偏振光。

2.2 波荡器与周期

波荡器内的磁场呈正弦变化，波荡器的周期长度γ_u >1 cm ，周期数从数个到超过100个。平面型波荡器(磁场为上下方向，即电子束在水平面内呈蛇行运动)，产生的同步辐射是准单色的基波及一系列其高次谐波的混合。平面型波荡器可以得到线偏振光，而使电子做螺旋运动的螺旋形波荡器，可以得到圆偏振光或椭圆偏振光。单电子能量不变而需要调整准单色光的波长时，多数情况下波荡器中使用永久磁铁，即需要采用机械手段调整磁极间隔。

通常用亮度表示来自波荡器的同步辐射强度，理想情况下，亮度与周期数的平方成正比。目前应用于储存环中最长的波荡器是SPring-8，其长度为25 m。这个波荡器所产生的在818 keV能量范围内的基波的亮度超过10²⁰ photons/s/mrad²/ mm²/0.1%bw。来自波荡器的光子总通量在电子束的能量发散、截面尺寸以及角发散是定值时，其与周期数成比例增大。当偏转参数(93.4γ_u(m) B₀(T))远大于1时，波荡器产生的辐射变为连续光谱，并扩展到更高能量范围，辐射的发射角也变大，具有类似弯铁插入件辐射的性质，这种波荡器称为多极扭摆器。多极扭摆器产生的辐射光子总通量和亮度与周期数成比例增大。

2.3 电子束及辐射强度

电子束通过弯铁及波荡器发出的辐射存在角度取向。设能量为E的电子以较小的幅度振荡的同时沿着平衡轨道回转，这种振荡称为电子感应加速器振荡。能量为E+ΔE的电子在稍微偏离中心轨道的平衡轨道上振荡的同时做回转运动。回转电子的能量幅度σ_E(能量发散度)与能量E之比为5 × 10^-4~1 × 10^-3，σ_E为电子能量高斯分布的标准差。电子感应加速器振荡与能量发散的存在，使电子束具有一定大小的截面和角发散。水平方向的截面和角发散分别用参数σ_x、σ_x´表示，垂直方向用σ_y 、σ_y´表示。如果忽略能量发散引起的影响，水平和垂直方向的发散度分别近似等于σ_x、σ_x´与σ_y、σ_y´。电子束截面形状近似于椭圆，以第三代光源为例，σ_x=0.05~0.5 mm，σ_y=0.01~0.05 mm，σ_x´=0.01~0.05 mrad，σ_y´=0.005~0.01 mrad。相比之下，第二代光源的相应指标约大1~2个数量级。电子束损失的能量由高频共振腔(100~500 MHz)来补充。电子束以束团形式回转，束团长度σ_l=1~30 cm，换算成时间后相应光的脉宽是30 ps~1 ns，脉冲的时间间隔为2~10 ns。

同步辐射的强度用储存环内电流在一秒内发出的光子数来表示。首先，将一秒内、相对带宽bw(bandwidth)为0.1%(Δλ/λ=Δω/ω=10^-3)内放出的光子数定义为光子总通量(flux)。弯铁在水平面的单位发射角(ΔΨ=1 mrad)内，对垂直方向的角发射积分得到的光子数定义为光子通量，只适用于来自弯铁的辐射。将在水平和垂直方向单位发射角(ΔΨ=Δθ=1 mrad)内、一秒钟内放出的光子数除以电子束面积的值定义为亮度。亮度既适用于来自弯铁的辐射，也适用于来自波荡器的辐射。

综上所述，同步辐射的强度单位表示如下：

光子总通量(ﬂux)=photons/s/0.1%bw；

光子通量(angular ﬂux)=photons/s/mrad/0.1%bw；

亮度(brilliance)=photons/s/mrad²/mm²/0.1%bw。

2.4 辐射相干性

光的相干性指的是两个光的波动(光波)在传播过程中保持着相同的相位差，具有相同的频率，或者完全一致的波形。相干性可以分为横向相干性和纵向相干性。横向相干性表示垂直于光前进方向的面内从不同两点所发出的光的可干涉性。纵向相干性表示沿着光前进方向从不同两点所发光的可干涉性，可干涉距离l_c=λ²/Δλ , Δλ表示光的带宽。光的相干性可以通过光学元件来加以提高，但会损失一些强度。波荡器产生的辐射是具有部分相干性的光，同步辐射比通常实验室光源的相干性高，比激光的相干性低。

2.5 光束线站与效率

将同步辐射引导至实验场所并进行实验的全套装置称为光束线站。标准的光束线站有前端区、前置镜、单色器、后置镜和实验设备构成。一般情况下，真空紫外、软X射线光束线站的真空系统与储存环直接连接在一起。能量小于20 keV时，常用实验前置镜来聚焦同步辐射，前置镜采用多层膜镜。为了实现分光，一般对能量小于1 keV的光采用衍射光栅，能量大于1 keV的光采用分光晶体。

由于聚焦或分光元件的效率问题，电子束发出的同步辐射到达样品时总要损失一些强度，而且光学元件的设置误差也会导致一定的强度损失。所以，设计、制造光束线时，需要采用高效率的分光元件和高精度的聚光镜。波荡器产生同步辐射时，调整单色器和磁极间隔，使通过单色器的同步辐射波长与波荡器产生的基波或高次谐波始终保持一致，则可以始终得到高强度的同步辐射。

同步辐射在原子分子物理中的应用

3.1 超快解离现象

同步辐射光源具有原子特异性，可以提供复杂系统中电子能级的详细信息。当一个原子或分子吸收特定能量的X射线恰好使其从基态共振到一个激发态时，激发态发生俄歇衰变到俄歇末态的过程称为共振俄歇效应。如图1所示，其中0为基态，i为激发态，f为俄歇末态。

当分子共振产生的激发态具有强解离特性时，俄歇电子能谱中可能会观察到激发态原子俄歇衰变的原子特征峰，被称为超快解离现象。该现象首次被Morin等人发现^[1]，他们将HBr分子共振到一个具有解离特性的激发态上，在共振俄歇能谱中观察到Br原子的俄歇特征峰，该现象已经在双原子分子或多原子分子中被观察到^[2-4]。

图1 共振俄歇效应示意图

图2为超快解离现象的示意图，如图所示分子吸收能量为hv的光子将基态振动波函数|0＞在核间距R=R₀(R₀为平衡核间距)处垂直激发到激发态|i＞上，俄歇衰变形成的俄歇电子能谱中出现一个窄峰以及一个宽峰。其中宽峰对应于激发态分子在平衡核间距R₀附近发生俄歇衰变至俄歇末态|f＞的过程，该谱峰宽度由基态振动波函数|0＞空间尺寸决定。另外，由于激发态分子具有强解离特性，若其寿命较长，可能沿势能曲线演变到核间距远大于平衡核间距区域(R>R₀)。以双原子分子为例，当激发态分子演变到该区域，形成一个基态原子和一个激发态原子。激发态原子会俄歇衰变产生较窄的谱峰，称为原子谱峰。

图2 分子和原子俄歇通道物理示意图

对双原子分子的超快解离过程而言，解离产生的激发态原子以一定速度运动。激发态原子随后俄歇衰变产生电子，由于电子是在运动的原子上产生的，电子动能会伴随着多普勒效应，引起的能量偏移为

其中，v_ion为激发态原子俄歇衰变形成离子的动能，θ_ei为电子运动方向和离子运动方向的夹角。

以O₂分子为例，产生最大计算模拟能量偏移为1 eV，远大于因热运动导致的能量偏移，因此该能量偏移较容易被观察到。

X射线激发分子是高度各向异性的过程，吸收截面为

其中，e为X射线极化方向，d_i0为分子跃迁偶极矩。当e平行于d_i0时，吸收截面最大。Böjrneholm等人^[4] 的研究发现，当O₂分子发生 1s →σ*共振时，跃迁偶极矩d_i0平行O₂的分子轴。在分子解离过程中，忽略转动的影响，分子轴取向为解离后O⁺离子的运动方向。这意味着O⁺离子的运动方向与X射线极化方向倾向于平行。若电子探测器安装在X射线极化方向上，即电子探测器平面与X射线极化方向垂直，此时解离后的碎片倾向于朝向或背向探测器运动。实验中仅探测了朝向电子探测器运动的电子。根据式(1)，当电子运动方向和离子运动方向的夹角为0°时动能较大，夹角为180°时动能较小。此时原子谱峰因为能量偏移分裂成两个峰(图3)。

图3 O₂分子共振俄歇效应中原子谱峰的多普勒分裂^[4]

3.2 离子光电离

光电离是由单个光子通过直接或间接过程，从一个原子或离子中敲出一个或多个电子的过程，而间接电离过程包含对外壳层电子的多次激发而被有序发射出原子的过程，以及对内壳层电子的激发产生的俄歇过程。光电离的研究不仅能给出一些关于原子分子物理的深度信息，还能为等离子体物理学、行星大气物理学、天体物理学等研究领域提供一些关键信息。

为了避免多普勒展宽的影响，以及低温下难以实现高密度的纯离子靶，早年的离子光电离实验采用加速束形的离子靶。光子-离子合束技术的出现使离子光电离截面的直接测量成为可能，实现了基于质量和电荷的离子选择以及在低温下的高精度光谱测量^[5]。随着光学激光器和紫外激光器的发展，负离子光电离实验数量增加。而正离子光电离的测量需要更高的光子能量^[6]，因此亟待更高光强的同步辐射源的发展。目前，仅有两个同步辐射源，法国SOLEIL和德国的PETRA III同步辐射光源，正在持续产出离子光电离的成果。过去大部分离子实验得到的实验结果是离子价层光电离的单电离截面数据，由于受到光子能量和光子通量的限制，更深的内壳层测量结果报道并不多。上文提到的两个同步辐射源，都提供了更高的光子能量以及获得更小的反应截面的可能性。譬如，PETRA III是目前世界上最亮的同步辐射源，其中束线站PIPE可以提供能量达到250~3 000 eV的小带宽光子束，而MAIA位于SOLEIL同步辐射光源PLEIADES束线站中，其光子能量上限为1 000 eV，光子通量也小得多。

近年来，离子光电离的多电子过程成为一个主要的研究方向，比如对于单光子多重电离过程中伴随着多电子的激发和衰变的探究。其中一个例子是在C⁺离子中明确观察到四电子相互作用中的非次序三重俄歇衰变^[7]，C⁺离子的L壳层提供了最小的电子数促成这个反应。PIPE束线站装置的精度以及对探测器背景噪声的抑制，使得测量这类小到几百个Barns反应截面的过程成为可能，从而直接观察三重俄歇衰变。除此之外，近期还有在F^-离子上利用单光子直接敲出两个电子的研究^[8]，K和L壳层同时发生电离，在很宽的能量范围内测量得到这类直接双电离的反应截面，以及光电离后的电子离子复合测量和光谱信息也有助于解析多电子过程，如Xe⁵⁺离子中4d →nf (n=4, 5)的共振俄歇衰变^[9]。

同步辐射光源的出现也使得对于原子和离子内能级的激发变得越来越容易，为分子和分子离子在位点特异性激发的实验解释提供了条件。另外，离子源在被加速时会产生一些孤立的自由基，这些自由基可以用分子离子的X射线吸收谱反映出来，由此开辟了一个离子光电离研究的新道路。对应的带电分子碎片通过直接分析质量和电荷可以确定其成分，同时在衰变前会被输送到光子-离子反应区，这一过程在1~10 μs内完成。目前，首项包含富勒烯的分子离子实验已经成功进行^[5]。对于天体物理学中重要的中性原子，也可以通过合束技术获得C和O的光电离靶。在强激光场中，负离子被激光电场分解得到对应的中性光束。此外，这些实验方法和设施也可以应用于不常见、无法直接产生和自然存在的原子。

如何继续发展这些大型光源是未来面临的一个挑战。在窄带宽下获得高亮度、高能，同时在位置、能量、光束控制上足够稳定，一直以来都是改善离子光电离实验的关键因素。同时，各个光源设备探测能力、粒子储存产生能力和光源本身性能的提升都有助于应对未知的需求和挑战。譬如，在离子光电离过程中，电子的探测能量有待改善，尤其是带电分子、团簇和纳米颗粒，实现探测器在不同角度和动能下测量出解离对应的产物。要达到这些要求，就需要在工程设计上完成一套对于电、磁、飞行时间分离场以及对应探测器适当组合的设备。

3.3 单光子电离

原子或分子吸收单光子双电离(PDI)与单光子多电离是光-物质相互作用中的次要过程。然而，该过程完全由电子关联决定，而电子关联在多种过程以及确定多种材料的物理和化学性质方面有重要的作用，因此它们引起了极大的关注^[10-12]。正确解释二体问题是探究多体问题的重要前提，这种需求刺激了近30年来对双电子系统的研究，比如，He原子与H₂分子的双电离的理论与实验研究。

对于He原子，一个能量大于双电离能(79 eV) 的光子可以产生两个自由电子和一个裸核，自然偏振轴可以给出量子化轴，在偶极选择定则下自由电子对是轴对称的，而微分散射截面由库仑相互作用定义。较低的散射截面(~ 1 kbarn)造成的实验困难逐渐从两方面得到解决：一方面是第三代同步辐射源的高亮度；另一方面是实验装置的创新，有能力同时检测两个电子的能量并具有较大的收集角，或者有能力符合测量离子与一个/ 两个电子动量的装置。

对于H₂分子，理解PDI过程更加困难，基态由双原子分子波函数构成，解离末态对应的电离能并不唯一，并且在双电离后会发生库仑爆炸。

以上特征要求一个动力学完整解离的描述需包括至少一个离子的动量信息，这个信息将会重建PDI发生时的分子几何构型，例如描述电子与分子轴夹角。已有的少数实验^[13-14^]和数值模拟显示，角分布受分子排列以及核间距的影响。

在多电子系统中，电子-电子相互作用并不能被理论先验得知，而要通过实验中不同的光激发过程积累，并通过与周围的相互作用确定。一个有趣的实例是光激发使一个电子寻找周围的散射通道(弹性、等离子、声子等)，在合理选择电子对能量与角分布后，PDI可以揭示这些通道中的电子-电子相互作用。

3.4 分子坐标系光电子角分布

分子的光电离(photoionization, PI)是由分子对同步辐射光的吸收引起的众多基本过程的核心，也是分子与强激光场发生反应后的主要现象。分子坐标系光电子角分布(molecular-frame photoelectron angular distribution, MFPAD)是指相对于电离辐射的传播轴或极化轴，光电子在分子的非球面势中各个方向的发射分布，是表征分子光电离立体动力学最详细的可观测数据。相比于原子，分子的光电子角分布(photoelectron angular distribution, PAD)不仅依赖于自身的键能，还依赖于电子电离时刻分子的几何结构和分子轴与光场之间的瞬时取向^[15-17]，即PAD携带了分子电离时刻电子原子核的结构信息。最近的一些文章^[18-19]对2012年以来关于MFPAD的研究进展进行了总结，并描述了MFPAD研究在探索光电离和解离的电子动力学、分子内动力学和激发态弛豫方面的成功。

在实验中，MFPAD研究的主要挑战在于分子坐标的建立。自20世纪90年代中期以来，利用随机定向分子组装中的解离光电离(dissociative photoionization, DPI)实验，强大的电子-离子符合技术能够提供每个带电粒子的三维动量矢量，该方向研究已经取得丰富的成果^[20-21]。对于小分子，分子相对于光偏振轴的取向由反冲离子碎片的动量推断。随后，在每个DPI事件中符合测量得到的光电子动量都提供了任意偏振方向上的分子坐标系光电子角分布。当解离时间相对于分子的其他运动较短时，分子坐标很容易建立。这些方法得益于第三代同步辐射光源的特性，包括X射线范围的波长可调谐性、良好的光谱分辨率、从线偏振到圆偏振的宽偏振范围以及在MHz段的高重复频率，而且这些优异的特性与符合测量技术能良好配合。

MFPAD研究揭示了光电离动力学的显著特征^[23-24]，如共振中的光电子的轨道角动量特性、自电离和直接电离通道之间的量子干涉、对称/反对称破缺、角分布中的圆二色性(CDAD)，以及由于Koopmans定理的击穿而导致的电离过程的多电子性质。核壳层电离之后是快速电子弛豫或俄歇衰变，分子会解离产生多个带电离子碎片，因此核壳层光电离特别适合于利用符合技术探测多原子分子中的MFPAD^[22]。此外，在远离电离阈值的地方，核壳电离MFPAD绘制了分子内单个中心发射的部分波叠加后被分子势散射而产生的衍射图样，反映出分子的几何结构^[23]。通过振动分辨测量证明MFPAD即使对非常小的几何变化也具有较高的灵敏度。未来测量MFPAD可以编码电离辐射的完全极化态^[24]。

在同步辐射光源的MFPAD研究中，一个预期的发展是单光子双电离过程中两个电子的角分布，因为出射的两个光电子是强相关难以区分的。除了H₂的双电离外，双原子和多原子分子的单光子双电离MFPAD的研究结果很少。从理论角度看，双连续介质中的角分布对初始态关联的微小影响较为敏感，而当两个电子动能较低时，双连续介质中的角分布对强连续介质关联效应较为敏感。将先前用于原子系统和H₂的方法扩展到像H₂O这样的分子，需要包含连续电子与留在离子核中的电子的相互作用，涉及几个低双电荷态。

3.5 光致反应动力学

目前，研究光与物质相互作用的实验工具很齐全。超短、超强激光脉冲，自由电子激光和同步辐射提供了不同特征的光，可以满足小量子系统中量子动力学研究的多个方面。原子、分子和团簇与这些光相互作用的动力学响应十分丰富，通常会产生几个电子和离子碎片。COLTRIMS反应谱仪可以对所有产物的动量矢量进行符合测量，这项技术首次被用于研究原子双电离和康普顿散射中的电子-电子关联^[25]。不久后，这些装置又被用于测量小分子的光电离动力学。分子电离后，分子离子通常会沿着势能曲线快速解离，认为分子在解离前没有转动，所以离子碎片的发射方向就是沿着光吸收时分子键的方向。通过实验获得分子坐标系下的光电子和俄歇电子角分布，分子光电离研究进入新的时代。例如，通过实验阐明小碳水化合物中的质子迁移^[26]。Davies等人^[27]开创性地利用激光泵浦探测方法，证明NO₂中这种光电子发射模式的时间演化。这些研究的完整性揭示了令人兴奋的新物理效应，而这些效应通常无法通过非符合光谱学技术观测。

当前的挑战之一是将光子驱动反应研究延伸到时域。泵浦-探测方法是目前最成熟的研究原子或分子时域的技术之一。最近，已经开发出全面利用巧合检测能力的新方案。这些方案不需要探测步骤，因为这些步骤通常会对正在研究的过程产生干扰或扰动，而是利用电离过程或分子本身提供的内在时钟。第一个例子是分子的超快解离，窄带宽激发引发快速解离可以从最终态离子和电子的动能中推断出电子衰变动力学，相关研究已经描绘了解离过程中分子轨道的时间演变^[28]。第二个例子是利用后反冲相互作用 (PCI)^[29]，由于这种相互作用的强度取决于两个电子发射之间的时间，因此衰变时间被编码在初级光电子的能量损失中。利用俄歇衰变的“PCI streaking ”可以达到几个飞秒的尺度，这种内部的电子或核运动时钟可以利用COLTRIMS进行符合测量。

另一个挑战是探索量子纠缠在光子驱动过程中的作用。在气相中，原子或分子的光解离是一个完全相干的过程。从一个共同的初始状态发射的光碎片必然会形成多粒子状态，而这些量子特征只有对所有反应产物进行符合测量时才能获得。虽然这是多粒子纠缠的基本性质，但目前只有少数案例在实验中能被直接证明。例如，通过证明Cohen/Fano双缝干涉不是在单个电子，而是在电子对的动量分布中观察到，证明了氢分子发射的两个电子的纠缠。然而，对于更大的分子和更多层面的衰变通道，量子纠缠的问题要复杂得多，需要深入的理论工作和更精确的符合实验。

COLTRIMS依靠将带电粒子投射到位置和时间敏感的探测器上，获得带电粒子的位置及飞行时间信息，进而获得带电粒子的三维动量信息，所以探测器技术的进步是很重要的前提条件。目前，多通道板结合位置读出阳极是唯一的选择。探测器的决定性参数是探测效率、时间分辨率、位置分辨率和微通道板。通过漏斗型或具有特殊涂层的微通道板以及采用具有更大透射率的成像光谱仪，在效率方面取得了很大进展。COLTRIMS第二个期望取得进步的方面是更好的成像谱仪。采用更复杂的电子/离子光学设计，使得可以在时间上聚焦粒子，并将相互作用区域的不同起始位置聚焦到相同的飞行时间和探测器上的相同撞击位置。

高光子通量的同步辐射和X射线自由电子激光(XFEL)使气相的符合研究延伸到更高的光子能量，同时使低截面过程的研究成为可能。另外，使用高能量的光子，也可以研究康普顿散射过程，气相康普顿散射符合实验目前仍然未被开辟。在未来，XFEL的光子探测器与COLTRIMS配合将成为可能，可以使康普顿散射光子的成像与分子碎片和二次电子进行符合测量。如果在泵浦-探测实验中使用这种方法，最终将得到电子波函数和核运动的时间演化的分子电影。

总结

随着加速器技术的不断发展，同步辐射光源在原子与分子物理领域研究中日趋重要。文章首先对同步辐射光源的发展历史进行梳理，深入解析了其关键环节和特性，如弯铁及辐射宽度、波荡器与周期、电子束及辐射强度、辐射相干性和光束线站与效率等方面。进一步介绍了同步辐射在原子分子物理研究中的卓越应用，包括超快解离现象、离子光电离、单光子电离、分子坐标系电子角分布和光致反应动力学等方面的最新研究成果。通过全面分析同步辐射光源在原子与分子物理领域的广泛应用，为未来相关研究和技术发展提供了有力的参考。

参考文献

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本文刊载于《自然杂志》2024年第3期

DOI：10.3969/j.issn.0253-9608.2024.03.004

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