如果哪一天你突發(fā)奇想，想在原子或分子水平上了解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和變化，你會(huì)選擇什么工具？科學(xué)家肯定會(huì)向你首推同步輻射，因?yàn)榭茖W(xué)家就是用它看清病毒的結(jié)構(gòu)、分析古代文物的成分，甚至觀察材料內(nèi)部的原子排列。

什么是同步輻射？

同步輻射，但從名字來看，似乎并不明白它是做什么的。其實(shí)，它其實(shí)是一種由高速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在電磁場作用下沿偏轉(zhuǎn)軌道切線方向發(fā)出的電磁輻射。

你可以把這個(gè)過程想象成，當(dāng)電子以接近光速飛馳，突然被磁鐵拽著拐彎，它就會(huì)甩出一束非常亮、能量很高的光。這個(gè)現(xiàn)象就像是在雨中快速轉(zhuǎn)動(dòng)雨傘，沿傘邊緣的切線方向會(huì)飛出一簇簇水珠一樣。

同步輻射的名字起源于1947年的一個(gè)偶然發(fā)現(xiàn)。那一年，在美國紐約州斯克內(nèi)克塔迪的一家實(shí)驗(yàn)室里，人們在調(diào)試新建成的70 MeV電子同步加速器時(shí)，首次看到一種強(qiáng)烈的藍(lán)白色弧光。經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)這是加速運(yùn)動(dòng)的電子所產(chǎn)生的光輻射，從此，這種輻射便被稱為“同步加速器輻射”（Synchrotron Radiation），在中國被簡稱為“同步輻射”。

通用電氣公司實(shí)驗(yàn)調(diào)試新建成的70 MeV電子同步加速器時(shí)，首次發(fā)現(xiàn)了同步輻射

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[3]）

同步輻射從哪兒來？

你知道嗎？同步輻射不僅僅存在于實(shí)驗(yàn)室里，自然界中也有同步輻射！如高速電子繞著黑洞或中子星旋轉(zhuǎn)時(shí)，也會(huì)發(fā)出同步輻射，天文學(xué)家靠它來研究這些神秘天體，如科學(xué)家在蟹狀星云中就發(fā)現(xiàn)了同步輻射。

由NASA的詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的NIRCam（近紅外相機(jī)）和MIRI（中紅外儀器）拍攝的蟹狀星云新細(xì)節(jié)。其中同步輻射用白色表示

（圖片來源：NASA, ESA, CSA, STScI, T. Temim (Princeton University)）

自1947年發(fā)現(xiàn)同步輻射后，目前，世界上已建成的同步輻射裝置有60多個(gè)，正在建設(shè)和設(shè)計(jì)的有近10個(gè)。第一代同步輻射研究始于20世紀(jì)60年代至70年代初。但這些裝置并非專為同步輻射研究而建，而是在高能物理實(shí)驗(yàn)期間以共生方式產(chǎn)生，主要共生于大型正負(fù)電子對撞機(jī)，如北京正負(fù)電子對撞機(jī)國家實(shí)驗(yàn)室（BEPC）的同步輻射裝置（BSRF）。但由于同步輻射與高能物理實(shí)驗(yàn)需求不一致，第一代同步輻射光的性能和應(yīng)用非常受限。

到了70年代中期，專門用于產(chǎn)生同步輻射光的設(shè)施開始建造。這些早期同步輻射裝置主要依靠彎轉(zhuǎn)磁鐵產(chǎn)生同步輻射，被稱為第二代光源，如合肥國家同步輻射實(shí)驗(yàn)裝置。也正是在這一時(shí)期，人們開始使用扭擺器的強(qiáng)磁場裝置來增強(qiáng)輻射。此后，通過優(yōu)化置于直線段中的磁結(jié)構(gòu)（如扭擺器和波蕩器），建造了性能更優(yōu)越的新一代同步輻射光源，即第三代光源，如位于法國格勒諾布爾的歐洲同步輻射裝置、中國臺(tái)灣同步輻射研究中心以及上海光源等等。第四代同步輻射光源（衍射極限光源）通過新型加速器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)極低發(fā)射度，并在束線設(shè)計(jì)中強(qiáng)化X射線相干性，大幅提升了光源的亮度和相干性。

當(dāng)前，世界各國紛紛投資建設(shè)第四代同步輻射光源，如已建成的瑞典的MAX-IV、巴西的Sirius、歐洲的ESRF-EBS，以及在建的美國APS-U、北京懷柔高能同步輻射光源（HEPS）和合肥先進(jìn)光源（HALF）等等。

結(jié)語

同步輻射雖然名字高冷，但它其實(shí)是現(xiàn)代科學(xué)的超級顯微鏡和超級攝像機(jī)。它讓我們得以窺見肉眼無法看到的微觀世界，推動(dòng)著醫(yī)學(xué)、能源、信息技術(shù)、材料、化學(xué)、地質(zhì)等多個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展和進(jìn)步。例如，疫情期間，科學(xué)家就是利用上海同步輻射快速解析了新冠病毒關(guān)鍵蛋白的結(jié)構(gòu)，為疫苗和藥物設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵信息。

其實(shí)近幾十年，有五屆諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者，他們的研究成果都直接用到了同步輻射光源。下次當(dāng)你聽說某項(xiàng)重大科學(xué)突破時(shí)，說不定背后就有同步輻射的一份功勞呢！

參考文獻(xiàn)：

[1] Wiedemann, H. (2007). Overview of Synchrotron Radiation. In: Particle Accelerator Physics. Springer, Berlin, Heidelberg.

[2] Balerna, A., Mobilio, S. (2015). Introduction to Synchrotron Radiation. In: Mobilio, S., Boscherini, F., Meneghini, C. (eds) Synchrotron Radiation. Springer, Berlin, Heidelberg.

[3] The discovery of synchrotron radiation Herbert C. Pollock Author & Article Information, Am. J. Phys.1983，51, 278-280

出品：科普中國

作者：楊超（深圳理工大學(xué)科普主管、中國科普作家協(xié)會(huì)會(huì)員）

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