闲话同步辐射光源

闲话同步辐射光源

像科学史上上演的许多故事一样，同步辐射光源的发现是又一个典型的要赶鹰却捡只肥兔子回来的故事。要把其中的来龙去脉讲清楚，咱们得向上追溯一个多世纪。话说1895年伦琴（Röntgen）观测到阴极电子加速运动撞击到阳极的过程中会释放一种能够穿过不透明物质, 并诱发荧光物质发光的神秘射线。他暂时命名这种射线为X射线，后人为纪念他亦称其为伦琴射线。他本人因此在1901年捧回史上第一个物理学诺贝尔奖。伦琴临终时嘱托将其所有的私人信件及科研手稿焚毁，所以后来有人质疑他是否确实是X射线的最初发现人。当然这是史学家的事。我们这里关心的是X射线本身。它不仅仅引导人们第一次进入了玄妙的原子分子层次的微观世界，从而翻开近代物理学的新篇章，同时也向人类展示了它在工业和医疗等实用领域中的巨大作用。X射线的神奇魅力引无数英雄竟折腰。人们开始寻求开发X射线源。直到现在通常实验室中用的X光源还是基于电子撞击阳极的产生机理，即运动电子在撞击过程中急剧减速而释放辐射（韧致辐射或刹车辐射）及由靶材料原子能级决定的特征X光荧光谱线。这里的极其关键一步是让电子生变（速度）。变则明光环绕百媚生- 看来这是一条从人类社会到自然颠簸不破的普遍真理：-）。由于电子撞击释放辐射过程是在固体里进行，相当多的能量会被最后转化为热能（低能辐射，也是光）。受限于阳极靶的散热能力，这些X光机能产生的X光的通量是很有限的。直到同步辐射光源的出现才绕过了这个难题。

上世纪早期人们在研究电子回旋加速器的过程中遇到了一个比较头疼的问题：电子在加速过程中会辐射电磁波造成能量损失。这里辐射产生的实际上就是同步辐射光。可惜囿于知识不足，同步辐射光犹如一块尚未抛光的璞玉，未被慧眼相识。实际上人们当时是把它当作可恶的拦路石，一心想把它挪走：因为这种辐射效应使加速器的效率降低，最终给高能电子的产生设定了一个上限。1947年4月24日，通用电器（GE）的四位科学家Frank Elder, Anatole Gurewitsch, Robert Langmuir, 及Herb Pollock在他们新建的70MeV的加速器上尝试一种新的加速手段。这个机器的设计能让人看到电子运行的轨道。实验刚刚开始，一个实验员大喊叫停。原来他在电子管中观察到耀眼的淡蓝色弧形光。大家赶紧跑过来查看，真空正常，不是电子管受损发出的光。很快几位物理学家意识到他们观察到的是同步辐射光。这是科学家世上第一次直接观察到非自然同步辐射光。这种光是电子在真空中加速运动中产生的，它有许多诱人的特点：高光通量（注意没有伴随的阳极热量），连续光谱（通常X光管子多是用荧光分立谱线以求相对高的通量），极高的准直性（这和下面要提到的电子相对论速度运动相关联），最后还有它的时间脉冲特性。经过一系列的研究尝试，人们见识到美玉真颜, 于是不用那种加速器做高能物理了，专门造它们当超大的X光机。六十年代开始科学家建设同步辐射光源。至今为止同步辐射光源发展历经3代。第4代（X光激光）正在筹建中。世界上大约有22个国家和地区共建有（或正在筹建中）40多个大大小小的光源中心。其中美国有近10个，其他大部分在欧洲和日本，中国大陆3个，台湾1个（第二个刚开始建），加拿大1个，。。。约旦和泰国也都在建造。光源中心小的只有一个卡车大小；大的有个把公里。

为方便起见，咱们还是用下面的静态图聊聊同步辐射光是如何产生的。这图有点小毛病，看看这里的物理大侠们能不能找出来。

图中间与一个小环相连的直的通道是直线加速器（LINAC）。当电子由电子枪发射出来注入直线加速器加速电子，并把连续的电子束切成隔约几个到几百个纳秒的等间隔电子团。然后

电子被引导到助动加速环（booster ring，图中与直线加速器相接的小环）进一步被加速。当电子速度达到差不多是光速的设定值时（例如屯儿里的光源CLS 电子能量2.9GeV；电子速度是99.999998% 真空光速；芝加哥的APS，7GeV, 99.999999% 真空光速），电子被注入图中大环，也就是存储环（Storage ring），在存储环中，电子轨道将被偶极磁铁（图中拐弯处红色C型块，也称弯曲磁铁）弯曲从而保持匀速率绕环运动。弯曲电子轨道也就意味着产生向心加速度。前面提过，加速运动的带电粒子是要释放辐射的，当粒子以相对论速度(即快的跟光速有一比)运动时它的辐射会聚集在其运动方向，这就是同步辐射光的来源。电子做圆周运动，X光从圆的切线方向散发出来。电子损失的能量由存储环中高频腔（RF cavity）补充，这个过程得掌握好时机，得‘同步’才行，同步辐射光源也因而得名。除了弯曲形电磁铁外，存储环上还常插入一些磁铁阵列（wiggler和undulator，如图中存储环中左下方的淡蓝色开口向外的C形长块所示，中间一组红色块状物代表磁铁阵列）。这些阵列相当于把很多的小弯铁绑在一起发光，亮度能提高很多。说来有趣，这wiggler和undulator的发明和旧金山的街道有关–这个就留作课后作业吧。这两种插入件作为光源各有优缺点，这里就不多说了。图中每串沿存储环切线方向（也是同步辐射光行进方向）的三联体的小房子就是一条束线。辐射光由此引出，经束线的光学元件（例如硅晶体单色仪，在图中各束线最接近存储环的小房间，optical hutch）滤选出想要的频率光波，再送到末端实验室（end hutch，图中中间的小房间）供用户使用。最后的小房间是用户操控室。

也许有人要问了，建这么个庞然怪物得多少钱哪？不用我说大家也能猜到，钱不会少。举两个例子：我们屯儿里的这个建设费是200M；每年的维护使用要花掉20M；APS那个建成花掉大约1B；此后每年约需要100M用于正常使用维护-不包括更新升级。说到这儿有人可能要急了，花这么多钱建这么个东西到底有啥特殊的呢？为啥不能用传统的X射线管作光源呢？如前面所言，同步辐射光与传统的辐射光相比有很多优点，其中最重要的同步辐射光特别亮。下面这个图给你一个大致的概念。图中没标出来的，传统实验室的射线管最好大概能达到10^10 的数量级。

因为光学测量的信噪比大致与光强的平方根成正比，同步辐射光源所提供的强光允许我们做用传统X射线光源无法实现的实验。举个例子, 对于我感兴趣的生物样品，为得到一套可分析数据，在同步辐射光源需要花大约2个小时。对同一样品，如果用传统实验室的X射线管测量，要得到同样质量的数据则大概需要2年!

上面的小电影里演示了几个同步辐射光源应用的例子。毫不夸张的说，同步辐射光源的应用已经渗透到科研，工业及生活中的个个领域：从物理，化学，生物，天文，到医学，环境，食品，到电子，材料。。。。

第四代同步辐射光源在即。它将给我们带来怎样的光明前景呢？我们拭目以待。

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Synchrotron radiation

Electromagnetic radiation emitted by relativistic charged particles curving in magnetic or electric fields. With the development of electron storage rings, radiation with increasingly high flux, brightness, and coherent power levels has become available for a wide variety of basic and applied research in biology, chemistry, and physics, as well as for applications in medicine and technology. See also Electromagnetic radiation; Particle accelerator; Relativistic electrodynamics.