第四代光源

第六节　第四代光源——同步辐射光源

1947年4月16日，美国纽约州通用电气公司的实验室中，正在调试一台能量为70兆电子伏的电子同步加速器。实验人员偶然从反射镜中看到了在水泥防护墙内的加速器里有强烈的“弧光”，而且光的颜色随电子的能量变化而变化。当电子能量降到40兆电子伏时，光变为黄色；降到30兆电子伏时，变为红色且强度变弱；降到20兆电子伏时，就什么也看不见了。

欧洲同步辐射加速器

这种由电子做加速运动时所辐射的电磁波是在同步加速器上首先发现的，所以人们就称它为“同步加速器辐射”，简称“同步辐射”。“同步辐射”的发现立即在当时的科学界引起轰动，为同步辐射光的广泛应用揭开了序幕。

一、同步辐射的原理和特点

（一）同步辐射原理

高能粒子特别是高能电子，在磁场中做回旋运动时，沿切线方向会发出一种光辐射。根据电动力学理论，带电粒子做加速运动时，会以电磁波的形式辐射能量。20世纪40年代，人们观察到电子在电子同步加速器中做回旋运动时发出辐射的现象。由于当时加速器的能量很低，释放出来的同步辐射的能量和强度也都比较低，所以没有什么实际用途。随着电子同步加速器能量的提高，这种辐射也就随之增强。在电子同步加速器中，同步辐射强度与电子能量的四次方成正比，并与加速器半径的平方成反比。显然，同步辐射对进一步提高这种类型的加速器的能量是一个不利因素。然而这种不利因素却为人们提供了一种具有重要应用价值的新型光源。

同步辐射光

（二）同步辐射的特点

（1）辐射光的波长覆盖面大且连续可调。同步辐射是非束缚态电子的辐射，所以它的光谱是连续的，从远红外、可见光、紫外线到X射线。

（2）有强的辐射功率。在真空紫外线和X射线波段，能提供比常规X射线管强度高10³～10⁶的光源。大功率的X光管的最大输出功率约10瓦，同步辐射的功率可达几万瓦。

（3）高度准直。同步辐射光是沿电子运动轨道的切线方向在一个很小的角度范围内发射出来的，在与轨道平面的垂直方向上所张的角度很小，因此有很好的准直性。

（4）具有很高的亮度。由于同步辐射光功率强，而且又是在一个很小的立体角中发射出来的，能量高度集中，所以必然有很高的亮度。

（5）脉冲光源，有特定的时间结构。在加速器储存环中电子以束团形式运动。环形加速器的周长则决定了脉冲的周期，对于一个周长为L的加速器，由于能量为吉（10⁹）电子伏量级，电子的速度已十分接近光速，所以脉冲周期为T＝L/c。电子束团密度决定了光脉冲的宽度。如果电子束团长度为S，则脉冲的持续时间，即脉冲宽度为τ＝S/c。以我国的北京同步辐射装置为例，其周长为240.4米，假设只有一个束团运行，电子束团长S＝3厘米，则脉冲周期为T＝0.8微秒，脉冲宽度为τ＝0.1纳秒。人们可以利用这个特定的时间结构，来研究物质的动态和瞬态过程。

（6）同步辐射是偏振光。在电子轨道平面中的同步辐射光是完全的线偏振光，光的电矢量就在电子的轨道平面内。这种偏振特性很有用，是普通X射线所没有的。利用偏振光可研究生物分子的旋光性，也可以研究磁性材料。

（7）同步辐射是“光谱纯”的光。因为同步辐射光是电子在超高真空的环境中做加速运动而产生的，是特别“干净”，非常“纯”的光。不像X射线管，管内有残余气体，而残余气体，受电子轰击也会发光。利用这种“干净”的光，可作微量元素的分析、表面物理研究、超大规模集成电路的光刻等。

（8）高度稳定性。利用先进的加速技术，目前可以使电子束流在加速器中稳定循环运行十几到二十几个小时，保持电子能量与束流强度不变，从而使辐射光强有高度的稳定性。这对于要求高精度、高分辨率的重复性的实验是必要的。同步辐射还有一个很重要的性质，就是它的谱分布和谱光度都是可以精确计算的。利用这个性质，可把它作为标准来校准其他光源。

综上所述，同步辐射具有如此优良的特性，使得它在许多领域有着重要应用。

二、同步辐射装置

一台同步辐射装置是一个非常复杂的高科技综合工程，造价十分昂贵。它的主体是一台同步加速器，在加速器的储存环中安排若干插入件，并在储存环上安装若干条光束线，在每条光束线的末端建立若干实验站。

弯转磁铁

1.储存环

储存环的形状不是一个圆形，而是由40个圆弧形铝制的扁盒子和40个长短不一的直线形铝制的扁盒子组成的一个闭合的环，环的周长是240米，这些扁盒子叫做真空盒，里面抽成超高真空。在圆弧形真空盒的上下方安装着二极磁铁，每块重7吨，其使命是使电子沿圆形轨道运动，所以也称为弯转磁铁。

在直线段真空盒的外面，安装能使电子束聚焦的四极磁铁，还有用来校正运动中电子束的能量变化的六极磁铁，此外还有为了给电子束在回旋过程中增加能量（或达到稳定后给电子束补充因辐射而损失的能量）的高频电场源，以保证它们的轨道稳定。

2.插入件

对一个储存环来说，当电子能量确定时，它产生的同步辐射的特征能量也就完全确定，有什么办法使得在已有的同步辐射光源上进一步提高辐射光的能量呢？苏联科学家金斯保发明一种插入元件来实现这个目的。

（1）扭摆器

由一组N极和S极周期相间的磁铁，安装在直线段真空盒的上下方，电子在扭摆器的磁场里做近似正弦曲线的扭摆运动。

电子经过插入件时，在磁场的作用下，电子将沿一条近似为正弦曲线的轨道运动，这样，就可以从插入件引出同步辐射光。

扭摆器的作用是在储存环的局部区域增大磁场，在局部形成小的电子轨道曲率半径，使得电子在做扭摆运动时发出的同步辐射有较大的特征能量，从而达到增加高能量光子数目的目的。

（2）波荡器

在实验中常常需要能量不高，但是亮度很高的光子束，这可用另一种类似扭摆器的装置——波荡器来实现。

波荡器与扭摆器不同的地方，在于磁场弱、周期长度短而数目多，使用的是永磁材料。电子在波荡器中运动的轨道也是近似于正弦曲线，但是振幅很小，如微微波荡，所以得名波荡器。由于波荡器的磁场不大，所以它产生的特征能量不高，但是它的周期多，而且从不同周期上产生的光部分相干地叠加在一起，结果使得同步光的亮度成百上千倍地增加。

波荡器

（三）光束线

光束线是把在储存环内做加速运动的高能电子所产生的同步辐射光输送到实验站的装置，并根据不同的实验对光的波长的不同要求，把同步辐射光单色化并使之聚焦。总的来说，光束线的功能是把同步辐射光准直、聚焦、单色化。

光束线

（四）实验站

在每条光束线上可建若干个实验站。不同的实验站做不同类型的科学研究，如材料、生命科学、医学等研究。不同的研究对象，对辐射光的波长、亮度、时间分辨等有不同的要求。

三、同步辐射的发展

同步辐射应用的可行性研究工作是从20世纪60年代初期开始的，至今，同步辐射装置的发展已经历了三代。

第一代同步辐射光源的加速器是因高能物理实验的需要而制造的，同步辐射光源则是一个副产品，称为寄生方式。我国的北京同步辐射装置是正负电子对撞机的一部分，属第一代。

第二代同步辐射光源是专用型同步辐射光源，第一代同步辐射光源已不能满足研究需求，研究人员建立了用专门的装置产生同步辐射光，例如1991年在中国科技大学建成的合肥同步辐射光源、日本的光子工厂等就属于第二代光源。

第三代同步辐射光源的特征是大量使用插入件。科学家发现在储存环中加入插入件可以使同步辐射的亮度再提高千倍以上，得到的同步辐射主要来自插入件。第三代同步辐射光源的亮度更高、性能更好。

四、上海光源

上海光源属中能第三代同步辐射光源，其电子束能量为3.5×10⁹电子伏，仅次于日本的SPring8（8×10⁹电子伏）、美国的APS（7×10⁹电子伏）和欧洲共同体的ESRF（6×10⁹电子伏），居世界第四。上海光源包括一台100×10⁶电子伏的电子直线加速器、一台能在0.5秒内把电子束从100×10⁶电子伏加速到3.5×10⁹电子伏的全能量增强器和一台3.5×10⁹电子伏的高性能电子储存环，以及首批建成的7+1条光束线站。上海光源的储存环平均流强300毫安，最小发射度4纳米弧度，束流寿命大于10小时。配以先进的插入件后，可在用户需求最集中的光子能区产生高通量、高耀度的同步辐射光。储存环共有40块弯转二极磁铁、16个6.5米的标准直线节和4个12米的超长直线节，具有安装26条插入件光束线、36条弯铁光束线和若干条红外线光束线等共60多条光束线的能力，它可同时为近百个实验站供光。首批建造的5条基于插入件的光束线站，分别是生物大分子晶体学线站、XAFS线站、硬X射线微聚焦及应用线站、X射线成像与生物医学应用线站、软X射线扫描显微线站；2条基于弯转磁铁的光束线站分别是高分辨衍射线站和X射线散射线站。此外，还将建造一个基于软X射线光束线的X射线干涉光刻分支线站。

上海光源

五、同步辐射的应用

（一）同步辐射的实验研究方法

同步辐射频谱宽，波长可调，亮度大，并具有偏振性等优异的性质，使光与物质相互作用的效应更加明显，使研究时间大大缩短，研究的范围大大扩展，并且可以研究样品在压强、温度等环境变化时的动态性质。

同步辐射应用是通过光和物质的相互作用进行的，主要的原理有三：光吸收、光散射以及在这两种过程中物质被激发后的退激发射。当然，按每种原理发展出来的方法可以有几十种，许多还只能用同步辐射才能进行，例如，从吸收原理发展出来X光吸收谱精细结构和X射线近边吸收谱学方法。在实验方法上，近年来急剧发展起来多种同步辐射方法的联合应用，前所未有地增强了同步辐射的应用能力。

（二）在生命科学方面

国际上同步辐射应用研究中，生命科学占极重要地位。利用同步辐射光的X射线衍射图的高分辨率可以确定生物大分子（如蛋白质、病毒）的三维结构，进而研究其结构与功能之间的关系。而通过对病毒外壳蛋白、癌症基因及其表达物等病原三维结构的详细了解，有望设计出能与该病原特异结合的药物小分子，以阻断病原对细胞的感染，或抑制其致病的功能，这就是基于分子结构的药物设计新概念。

蛋白质结构图

利用同步辐射光源的高亮度、窄脉冲的同步辐射光在时间分辨上的优势，将可以实现在分子水平上直接观察生命现象和物质运动过程。对于生命科学来说，静态地了解生物大分子或生物体的结构只是第一层次的研究，生物大分子或生物体结构变化的实时观察则是更高层次的研究。同步辐射光源为这一类动态过程的研究开启了大门，预计在不远的将来，人们将有可能像看电影那样直接观察生物大分子之间相互作用的精细过程，生命科学的研究将进入一个崭新的天地。

（三）在医学方面

同步辐射的剂量率很高，缩短了医学治疗时间，特别是对于那些受到呼吸影响而移动的肿瘤很容易定位和治疗。利用同步辐射的稳定性、可调谐性和可以准确计量等特性，可以对这一效应进行详细深入的研究，提高肿瘤的放疗效果。同步辐射还可用于测定血液内一些元素的含量、血管造影和进行微型手术以除去人体特殊部位的一些异常分子等。

鱼类同步辐射微血管成像

（四）光刻与微加工方面

在微细加工技术中，利用同步辐射X射线深度光刻技术，已经研制出微型传感器、微型光电部件、微型马达、微型齿轮、微电子开关和微型喷嘴等。随着集成电路的集成度越来越高，科学界预计，对线度在几十纳米及以下的集成电路，同步辐射光刻技术将有可能成为主要的光刻手段。

（五）在材料科学中的应用

半导体、高分子聚合物、合金、陶瓷、超导材料、复合材料、金属玻璃以及纳米材料等，这些具有异乎寻常性能的新型材料将在计算机、信息、通信、航空航天、机器人、医药、微机电和能源等新兴产业中获得越来越广泛的应用。利用高亮度同步辐射光束，可以揭示材料中原子的精确构造和得到有价值的电磁结构参数等信息，它们既是理解材料性能的“钥匙”，也隐含着发明新颖材料的原理来源。

微型齿轮与蚂蚁

对于材料科学来说，同步辐射光源将可以使科学家获得发生在原子水平的材料形成过程的动态图像，这些过程包括生长机制、相变过程、固态作用、裂缝扩散、高分子聚合物硬变、交界面过程和其他与时间相关的过程，它们是发明优秀新材料不可或缺的“源头信息”。

（六）在分子环境科学方面

分子环境科学以同步辐射X射线谱学技术作为主要分析手段，能在分子水平上描述环境污染物的形态，研究污染物的迁移和转化的复杂化学过程，从而评估污染风险和确定污染治理方案。而基于分子环境科学所建立起来的受环境污染植物的修复技术，以其自然、生态、绿色的特点而越来越受到重视与欢迎，有望产生重大的社会效益和经济效益。

（七）在地球科学研究方面

利用高亮度同步辐射X射线作为微探针，将能够深入地了解地壳深处和地幔中矿物的演变和转化，对于矿床地质、矿物、岩石、探矿以及地球化学研究起着重要的作用。

六、同步辐射深远的意义

科学技术的发展历史告诉我们，一个新效应的发现，一个新原理的提出，往往会对一门学科，甚至整个科学技术都带来一定的影响。同样，某种技术发展到一定程度也会产生质的飞跃，激光技术的发展就是很好的例证。激光的出现，促进了测试技术和加工技术的发展；可调谐激光的出现，发展了激光化学、激光光谱学；半导体激光与光纤的出现，发展了集成光学、光计算机技术和光纤通信。因此，同步辐射的出现也一定会开拓出若干新兴学科与边缘交叉学科，一定会为科学研究、工农业生产、国防建设和医疗卫生等方面、甚至对整个社会带来巨大的效益。

实践馆：

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2.结合自己已有的光学知识，通过查阅资料，了解光学技术的发展。