基本介紹
- 中文名：同步輻射光源
- 外文名：Synchrotron radiation light source
- 類型：高性能新型強光源
- 也稱：第零代光源
- 聯繫：物理裝置
概述,人類文明史是利用和開發光資源的歷史,新人工光源帶來人類文明的新進步,發展歷史,同步輻射光的特性,先進的第三代同步輻射光源,提供電子束的全能量注入器,產生同步輻射光的電子儲存環,光束線橋樑,探索自然奧秘的實驗站,國內發展,上海,北京,光源特性,廣闊的套用前景,
概述
同步輻射光源是指產生同步輻射的物理裝置。第一代同步輻射光源是寄生於高能物理實驗專用的高能對撞機的兼用機，第二代同步輻射光源是基於同步輻射專用儲存環的專用機，第三代同步輻射光源為性能更高且儲存環之直線段可加裝外掛程式磁鐵組件之同步輻射專用儲存環的專用機，現在正在研究的自由電子雷射器則為新一代的高強度光源設施。
人類文明史是利用和開發光資源的歷史
人類生存和發展從來就離不開對“光”的利用和開發，人類的文明史是一部利用和開發“光資源”的歷史。“光”是一個很大的家族，其中“可見光”只是“光家族”中的一員。光可依其波長不同，分為無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、真空紫外線、軟X射線、硬X射線和伽馬（γ）射線等。
光的波長或能量決定了它與物質的相互作用類型，如“可見光”照射人體時，會被反射到我們的眼睛，並被視網膜/視神經所感覺而“看到”人體；而當 X射線光照射人體時，則會穿透過人體，並在 X光底片上留下透過程度的影像紀錄，醫院裡給病人做 X光透視就是這樣。
光波具有衍射現象，用光探測物體或分辨兩物體時，光的波長應當與物體的大小或兩物體的間距相近或更短。因此，天文學家要探測宇宙星球，可以選用無線電波；航空管理者要跟蹤飛機，可以選用微波（雷達）。而科學家要研究比“可見光”波長更短的物體，要“看清”病毒、蛋白質分子甚至金屬原子等微觀物體，必須選用與這些微觀物體大小相近或更短的波長的光束，來照射微觀物體，利用光束在物質中的衍射、折射、散射等能夠檢測到的特性，或者利用光束與物體相互作用產生的光激發、光吸收、螢光、光電子發射等特性，來探究未知的微觀世界。
新人工光源帶來人類文明的新進步
光是由光源產生的，如太陽、蠟燭和電燈。其中太陽是天然光源，蠟燭和電燈是人工光源。由於可利用的天然光源所產生的光僅占整個光家族的很小部分，所以人類一直在努力開發和利用各種各樣的人工光源。任何一種新人工光源的發明和利用，都標誌著人類文明新的進步，如倫琴發明?X射線、愛迪生髮明的電燈、二次大戰中發明的微波、20世紀60年代發明的雷射等，都是人工光源發展史上的重大里程碑，它們都極大地促進了人類文明的進步。20世紀60年代末出現的同步輻射光源，是被譽為“神奇的光”的又一種人工光源，它在基礎科學研究和高技術產業開發套用研究中都有廣泛的用途。
發展歷史
電磁場理論早就預言：在真空中以接近光速運動的具有相對論效應的帶電粒子在二極磁場作用下偏轉時，會沿著偏轉軌道切線方向發射連續譜的電磁波。1947年人類在電子同步加速器上首次觀測到這種電磁波，並稱其為同步輻射，後來又稱為同步輻射光，並稱產生和利用同步輻射光的科學裝置為同步輻射光源或裝置。
30多年來，同步輻射光源已經歷了三代的發展，它的主體是一台電子儲存環。
第一代同步輻射光源的電子儲存環是為高能物理實驗而設計的，只是“寄生”地利用從偏轉磁鐵引出的同步輻射光，故又稱“兼用光源”；
第二代同步輻射光源的電子儲存環則是專門為使用同步輻射光而設計的，主要從偏轉磁鐵引出同步輻射光； 第三代同步輻射光源的電子儲存環對電子束髮射度和大量使用插入件進行了最佳化設計，使電子束髮射度比第二代小得多，因此同步輻射光的亮度大大提高，並且從波盪器等插入件可引出高亮度、部分相干的準單色光。第三代同步輻射光源根據其光子能量覆蓋區和電子儲存環中電子束能量的不同，又可進一步細分為高能光源、中能光源和低能光源。憑藉優良的光品質和不可替代的作用，第三代同步輻射光源已成為當今眾多學科基礎研究和高技術開發套用研究的最佳光源。
同步輻射光的特性
（1）寬波段
同步輻射光的波長覆蓋面大，具有從遠紅外、可見光、紫外直到 X射線範圍內的連續光譜，並且能根據使用者的需要獲得特定波長的光。
（2）高準直
（3）高偏振
（4）高純淨與高亮度
高純淨：同步輻射光是在超高真空中產生的，不存在任何由雜質帶來的污染，是非常純淨的光。
（5）窄脈衝
同步輻射光是脈衝光，有優良的脈衝時間結構，其寬度在10-11~10-8秒（幾十皮秒至幾十納秒）之間可調，脈衝之間的間隔為幾十納秒至微秒量級，這種特性對“變化過程”的研究非常有用，如化學反應過程、生命過程、材料結構變化過程和環境污染微觀過程等。
（6）可精確預知
先進的第三代同步輻射光源
上海同步輻射裝置（Shanghai Synchrotron Radiation Facility，簡稱 SSRF），是一台世界先進的中能第三代同步輻射光源，總投資計畫12億人民幣。上海同步輻射裝置的電子儲存環電子束能量為3.5GeV（35億電子伏特），僅次於世界上僅有的三台高能光源（美、日、歐各一台），居世界第四，超過其它所有的中能光源； X射線的亮度和通量被最佳化在用戶最多的區域。
上海同步輻射裝置
上海同步輻射裝置上海同步輻射裝置是國家級大科學裝置和多學科的實驗平台，由全能量注入器、電子儲存環、光束線和實驗站組成。全能量注入器提供電子束並使其加速到所需能量，電子儲存環儲存電子束並提供同步輻射光，光束線對引出的同步輻射光進行傳輸、加工，提供給實驗站上的用戶使用。
提供電子束的全能量注入器
全能量注入器包括電子直線加速器、增強器和注入/引出系統，其作用是向電子儲存環提供所需的電子束。電子槍產生的能量為10萬電子伏特的電子束，先被約40米長的電子直線加速器加速到1.5億電子伏特能量，然後被注入到周長約180米的增強器中，由增強器繼續加速到35億電子伏特，再經過注入/引出系統注入到電子儲存環。這種把電子束加速到了電子儲存環運行能量的注入器叫全能量注入器。整個注入過程必須通過一套專門設計的時序控制系統來“精確指揮”。
電子直線加速器
電子直線加速器產生同步輻射光的電子儲存環
電子儲存環是一個周長為432米的閉合環形高科技裝置，相當於一個學校400米環形跑道的操場，用來儲存35億電子伏特高能電子束。電子儲存環是同步輻射光源的主體與核心，其性能直接決定了同步輻射光源性能的優劣。它由真空度為10－10乇的超高真空室、高精度磁鐵系統、高頻加速腔、高靈敏的束流探測儀器和控制系統等組成。高精度磁鐵系統是儲存環的主要部件，包括40台二極偏轉磁鐵、200台四極聚焦磁鐵和140台六極色品磁鐵。
電子儲存環
電子儲存環根據設計要求，這些磁鐵按特定順序沿環排列，形成一個呈20周期的消色散磁聚焦結構，每周期含有一段7米或5米長的直線段。為保證向用戶提供在空間位置上高度穩定的同步輻射光，電子束軌道的穩定需要被控制在微米量級。
光束線橋樑
光束線沿著電子儲存環的外側分布，它是用戶實驗站與電子儲存環之間的“橋樑”，對從電子儲存環引出的同步輻射光，按用戶要求進行再加工，如分光、準直、聚焦等，並輸送到用戶實驗站。它包括安裝在真空管道內的一系列精密光學系統，涉及的主要光學元件有準直狹縫、聚焦鏡、單色儀（光柵或晶體）和反射鏡等，這些特殊的現代光學器件對材料、工藝、精度、控制和冷卻等都有十分苛刻的要求。此外它還有快速真空閥和輻射防護閘以實施真空和輻射安全的連鎖保護。
探索自然奧秘的實驗站
實驗站是科學家和工程師利用同步輻射光揭開科學秘密、開發高新技術產品的綜合科技平台。在這裡同步輻射光被“照射”到各種各樣的實驗樣品上，同時科學儀器紀錄下實驗樣品的各種反應信息或變化，經高速計算機處理後變成一系列反映自然奧秘的曲線或圖像。
國內發展
上海
張江高科技園區1999年7月上海同步輻射裝置工程領導小組審議並批准上海同步輻射裝置落戶上海浦東新區的張江高科技園區，占地300畝。
國家科技領導小組已於1997年6月批准上海同步輻射裝置先進行工程預製研究，以掌握建設上海同步輻射裝置的關鍵技術，形成骨幹科技隊伍。
上海同步輻射裝置於2004年初批准正式開工建設，並正式命名為上海同步輻射光源，簡稱上海光源，2009年4月正式建成。
北京
據中國科學院訊息，在“十三五”期間，中國將在北京建設一台高性能的高能同步輻射光源，也稱為“北京光源”，其設計亮度及相干度均高於世界現有、在建或計畫中的光源。未來這一新光源系統裝置建成後，將滿足中國重大戰略需求，並對眾多基礎科學的研究發揮關鍵支撐作用。
北京光源
北京光源為了進一步提高中國國家安全和工業核心創新能力，“北京光源”為代表的“第四代同步輻射光源”的建設計畫被提上議事日程。它的各項關鍵性能指標將遠高於第三代同步輻射光源。比先前的同步輻射光源更小，具有更高亮度。
中科院高能物理研究所研究員董宇輝：
根據目前的設計方案，它建成以後將比美國已經剛剛建成的NSLS-II要亮70倍，比瑞典剛剛建成還沒有投入運行的MAXIV要亮10倍。
中國新一代高能同步輻射光源項目“北京光源”的建設已列入國家發改委發布的國家重大科技基礎設施建設“十三五”規劃，它也是中科院與北京市共建懷柔科學城的核心。“北京光源”項目預計2018年11月份開工，工期歷時約6年，計畫耗資48億元。
2019年2月，第四代光源高能同步輻射光源的預研驗證裝置在北京通過國家驗收。表明將在北京懷柔科學城建設的高能同步輻射光源在技術上和裝備製造能力上都是可行的。
光源特性
上海同步輻射光源除了具有第三代同步輻射光源共同的特性之外，還具有：
⑴高效性
總共將建設近50條光束線和上百個實驗站，所有這些實驗站都是為準確探測同步輻射光與實驗樣品的各種相互作用而精心設計的。
首批擬建的7條光束線、實驗站和4個後備實驗站已於1999年底通過了國內外的專家評審，它們是：硬 X射線生物大分子晶體學、硬 X射線吸收精細結構（X AFS）、硬 X射線高分辨衍射與散射、硬 X射線微聚焦及套用、醫學套用、軟 X射線相干顯微學、 L IGA及光刻，以及紅外等後備實驗站。今後，上海同步輻射光源將陸續向廣大用戶提供掃描光電子能譜、掃描透射 X射線顯微、 X射線螢光顯微、 X射線非彈性散射等實驗站。向用戶的供光機時將超過5000小時/年，每天可容納幾百名來自海內外不同學科領域或公司企業的科學家/工程師，日以繼夜地在各自的實驗站上同時使用同步輻射光。
⑵靈活性
⑶前瞻性
廣闊的套用前景
生物大分子對於材料科學來說，上海同步輻射光源將可以使中國材料科學家獲得發生在原子水平的材料形成過程的動態圖像，這些過程包括生長機制、相變過程、固態作用、裂縫擴散、高分子聚合物硬變、交界面過程和其他與時間相關的過程，它們是發明優秀新材料不可或缺的“源頭信息”。而對於作為同步輻射光源的基本用戶的化學科學來說，上海同步輻射光源將是中國化學科學躋身世界前列的必不可少的現代工具，將使中國化學科學家可以直接觀測小至1立方微米的化學樣品在化學反應期間原子的重新排列和位置，跟蹤發生在快於10-9秒（十億分之一秒）的化學過程，在最基礎的水平上掌握形成新化學產品的整個過程。
利用上海同步輻射光源的高亮度、能量可選的同步輻射光，將大大提高對生命體內結構與形態的觀察精度。通過同步輻射 X光顯微成像和斷層掃描成像技術能夠直接獲取活細胞結構圖像。基於上海同步輻射光源強度高、能量可選的 X射線，發展起來的“雙色減影心血管造影”新技術，可以為心血管病的早期診斷提供安全、快速、高清晰的診斷方法。
最近，利用第三代同步輻射 X光源射線橫向相干性好的特性，發展了 X射線相位反襯成像技術，能夠清晰地拍攝出吸收反襯很弱的軟組織如血管、神經等的照片，有望發展出不需要造影劑的“心血管造影術”。
利用上海同步輻射光源在空間分辨、時間分辨上的優勢，將大大促進和加快中國的蛋白質結構基因組學研究。在過去的十多年裡，基因測序是生物學的熱門話題，目前，人類基因組測序已完成，但這只是生命科學進入新時代的開端。因為要從根本上掌握生命現象基本規律，必須了解基因載體———蛋白質分子的三維結構，破解其結構與功能的關係。測定蛋白質分子三維結構的最有效的手段是 X射線蛋白質晶體衍射。由於蛋白質晶體體積小（幾十個微米），且分子數目少，要求所用的 X射線光具有高亮度。如用 X光機束測一套蛋白質晶體衍射數據的話，需要幾十個小時；用二代光源，需要幾十分鐘；用第三代光源則只要幾秒鐘。另外，同步光源還具有短脈衝（小於100皮秒）時間結構，為實時觀測生物分子結構動態變化過程提供了可能性，將把生命科學研究帶入一個嶄新的時代。
