光是一種電磁波，也是一種粒子，叫做光子?？梢杂貌ㄩL或者頻率表征光波，也可以用能量表征光波。光的波長可從10-4厘米到10-16厘米，相應(yīng)于光子的能量為100電子伏到10E12電子伏。波長越短，能量越高。

在雨中快速轉(zhuǎn)動(dòng)雨傘時(shí)，沿傘邊緣的切線方向會(huì)飛出一簇簇水珠。利用彎轉(zhuǎn)磁鐵可以強(qiáng)迫高能電子束團(tuán)在環(huán)形的同步加速器以接近于光速作回旋運(yùn)動(dòng)，在切線方向會(huì)有電磁波發(fā)射出來。

接近光速運(yùn)動(dòng)著的電子或正電子在改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)放出的電磁波叫做輻射波，因?yàn)檫@一現(xiàn)象是在同步加速器上發(fā)現(xiàn)的，所以稱為同步輻射。這種電子的自發(fā)輻射，強(qiáng)度高、覆蓋的頻譜范圍廣，可以任意選擇所需要的波長且連續(xù)可調(diào)，因此成為一種科學(xué)研究的新光源。

  同步輻射和常規(guī)光源的比較

同步輻射光的特點(diǎn)

　  高強(qiáng)度

如用X光機(jī)拍攝一幅晶體缺陷照片，通常需要7-15天的感光時(shí)間，而利用同步輻射光源只需要十幾秒或幾分鐘，工作效率提高了幾萬倍。高亮度的特性決定了同步輻射光源可以用來做許多常規(guī)廣源所無法進(jìn)行的工作。

寬波譜

同步輻射從紅外線、可見光、真空紫外、軟X射線一直延伸到硬X射線（如圖），是目前唯一能覆蓋這樣寬的頻譜范圍又能得到高亮度的光源。利用單色器可以隨意選擇所需要的波長，進(jìn)行單色光的實(shí)驗(yàn)。

高準(zhǔn)直性

利用同步輻射光學(xué)元件引出的同步輻射廣源具有高度的準(zhǔn)直性，經(jīng)過聚焦，可大大提高光的亮度，可進(jìn)行極小樣品和材料中微量元素的研究。

脈沖性

同步輻射光是由與儲(chǔ)存環(huán)中周期運(yùn)動(dòng)的電子束團(tuán)輻射發(fā)出的，具有納秒至微秒的時(shí)間脈沖結(jié)構(gòu)。利用這種特性，可研究與時(shí)間有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)、物理激發(fā)過程、生物細(xì)胞的變化等。

偏振性

與可見光一樣，儲(chǔ)存環(huán)發(fā)出的同步輻射光根據(jù)觀察者的角度可具有線偏振性或圓偏振性，可用來研究樣品中特定參數(shù)的取向問題。

同步輻射的歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展

同步輻射是速度接近光速的帶電粒子在作曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)沿切線方向發(fā)出的電磁輻射——也叫同步光。這種光是1947年在美國通用電器公司的一臺(tái)70Mev的同步加速器中首次觀察到的，因此被命名為同步輻射，但對(duì)同步輻射的研究與認(rèn)識(shí)并非從此開始，對(duì)于這種高速運(yùn)動(dòng)的電子的速度改變時(shí)會(huì)發(fā)出輻射的現(xiàn)象早就被人們所認(rèn)識(shí)并經(jīng)歷了長期的理論研究，但要從實(shí)驗(yàn)上觀察到這種輻射卻不是一件容易的事，需要有以近光速運(yùn)動(dòng)的高能量電子，電子加速器的發(fā)展成為獲得同步輻射的技術(shù)基礎(chǔ)。

同步輻射的電子加速器可使高能電子加速到Mev乃至Gev的能量范圍，主要有以下幾種類型：

直線加速器

加速電子（或其它帶電粒子）到高速度、高能量的簡單且直接的方法是高壓型加速，增大加速電壓就能使電子加速到很高的速度或能量，這種加速過程需要在高真空或超高真空條件中進(jìn)行。對(duì)于電子，其帶電量為一個(gè)電子電菏e，如要將電子加速到幾十Kev的能量就要用幾十KV的電壓，以此類推，在更高的電壓條件下，為避免高壓擊穿須采用強(qiáng)烈的電感應(yīng)來加速，而且必須在合適的相位范圍內(nèi)使相位相同，否則不僅不能加速還會(huì)減速。這種用高頻高電壓加速的粒子流在時(shí)間上是一段一段的，脈沖式的，是很窄的粒子流，成為一個(gè)個(gè)束團(tuán)。為了利用高電壓來加速，人們把多個(gè)中空的金屬筒有間隙的排列在一條直線上，并將高壓高頻交流電源間隔的耦合到各個(gè)圓筒上，各個(gè)圓筒之間存在高電壓，相位輪流相反，電子在圓筒之間被加速。

回旋加速器和電子感應(yīng)加速器

如果要用直線加速器得到很高的電子能量，整個(gè)加速器要做的很長，很不經(jīng)濟(jì)。到了20世紀(jì)20年代，回旋加速器（cyclotron）和電子感應(yīng)（betatron）相繼發(fā)明，有了把電子加速到極高能量的可能?；匦铀倨魇抢酶哳l感應(yīng)電壓給電子加速增能和用磁場使帶電粒子做繞圈運(yùn)動(dòng)這兩種作用建立起來的。電子在圓形環(huán)中運(yùn)動(dòng)，在加速間隙得到加速，所運(yùn)行的軌道半徑也一步一步增加，以達(dá)到加速增能的目的。電子感應(yīng)加速器是利用電子繞圈內(nèi)的磁通變化所感應(yīng)出的電場來加速電子。電子手約束磁場的作用基本以不變的半徑繞圓圈，每繞一圈就加速一回，由于電子的速度很快，在不長的時(shí)間內(nèi)繞的圈數(shù)很多，故能夠得到很高的能量。

同步加速器

1945年 McMillan和Veksler發(fā)明了同步加速裝置。同步加速器由許多C型磁鐵環(huán)狀排列而成，在磁鐵中部安裝了環(huán)型真空盒，在環(huán)的某一段安裝了高頻高壓加速器，電子就在真空盒內(nèi)，在磁鐵的作用下做環(huán)狀運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過高頻時(shí)得到加速。為使加速后的電子仍以相同的半徑作環(huán)形運(yùn)動(dòng)，就要改變同步C形磁鐵造成的約束磁場，這就是同步加速器的由來。到了20世紀(jì)70年代中期，人們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到在高能物理中用于對(duì)撞實(shí)驗(yàn)的電子存儲(chǔ)環(huán)來發(fā)生同步輻射更合適，因?yàn)殡娮釉诖鎯?chǔ)環(huán)中以一定的能量作穩(wěn)定的回環(huán)運(yùn)動(dòng)，這與同步加速器中的電子的能量不斷改變的情況不同，因而能長時(shí)間的穩(wěn)定的發(fā)出同步輻射光。隨著電子存儲(chǔ)環(huán)能量的提高，所得同步輻射的波長不斷縮短，從紫外線或軟X射線一直擴(kuò)展到硬X射線。

同步輻射較之常規(guī)光源有許多優(yōu)點(diǎn)。比如它頻譜寬，從紅外一直到硬X射線，是一個(gè)包括各種波長光的綜合光源，可以從其中得到任何所需波長的光；其中最突出的優(yōu)點(diǎn)是亮度大，對(duì)第一代光源，亮度可達(dá)10E14~10E15，比轉(zhuǎn)靶X射線發(fā)生器的特征譜的亮度10E11高出三四個(gè)數(shù)量級(jí)。高亮度的光強(qiáng)可以做空前的高分辨率（空間分辨，角分辨，能量分辨，時(shí)間分辨）的實(shí)驗(yàn)，這些都是用常規(guī)光源無法完成的的，還有同步輻射發(fā)散角小，光線是近平行的，其利用率，分辨率均大大提高；另外還有時(shí)間結(jié)構(gòu)、偏振特性，有一定的相干性和可準(zhǔn)確計(jì)算等等。正因?yàn)橛幸陨细鞣N優(yōu)點(diǎn)，它在科學(xué)、技術(shù)、醫(yī)學(xué)等眾多方面解決了一批常規(guī)實(shí)驗(yàn)室無法解決的問題，做出了重大貢獻(xiàn)，世界各國特別是發(fā)達(dá)國家對(duì)此都十分重視，紛紛建立了自己的同步輻射實(shí)驗(yàn)中心。

我國的同步輻射事業(yè)是從20世紀(jì)70年代末北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（BEPC）的建造開始的，起初是為高能物理研究而設(shè)計(jì)的，在1984年的一期工程期間決定一機(jī)兩用，同時(shí)開展同步輻射的應(yīng)用，這是第一代的同步輻射裝置，稱為北京同步輻射裝置（BSRF）。BSRF于90年代初建成，它是電子能量為2.2Gev的中能環(huán)，產(chǎn)生硬X射線，建設(shè)了一些使用硬X射線的實(shí)驗(yàn)站，如X射線吸收光譜，熒光光譜，衍射，白光形貌，小角散射，漫散射站等，另外包括光電子能譜，光刻站，軟X射線譜站等，經(jīng)多年發(fā)展還建造了高壓站，計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)站等，最近正在建造并已部分完成了生物大分子、中能X光站，并進(jìn)行了部分線站的調(diào)整和重建，出色地完成了一批實(shí)驗(yàn)室設(shè)備不能完成的工作。但缺點(diǎn)是因?yàn)橐M(jìn)行高能物理實(shí)驗(yàn)，不能按同步輻射的要求進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，而且實(shí)驗(yàn)機(jī)時(shí)受很大限制，一年只有3個(gè)月左右的用光時(shí)間，遠(yuǎn)不能滿足用戶的需求。中國科技大學(xué)提出并在1983年獲國家批準(zhǔn)建設(shè)一臺(tái)800Mev的低能第二代同步輻射源開始的。此裝置不能產(chǎn)生硬X射線，是一個(gè)VUV環(huán)。該裝置于20世紀(jì)90年代初建成，稱為國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室（NSRL）。1992年開始為用戶服務(wù)，有光電子能譜，光化學(xué)，光刻，軟X射線譜及時(shí)間分辨五個(gè)實(shí)驗(yàn)站。1999年成功安裝運(yùn)轉(zhuǎn)了一臺(tái)6T的扭擺器，可以發(fā)生最短到0.1nm的硬X射線衍射站，建成后將大大提高該裝置的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α５捎谑堑湍墉h(huán)，硬X實(shí)驗(yàn)站不多，有局限性，目前正在進(jìn)行二期工程擴(kuò)建。因?yàn)楸本┖秃戏实耐捷椛溲b置都各有自己的缺點(diǎn)，中央和上海市政府準(zhǔn)備在上海市建一個(gè)第三代的同步輻射裝置，能量高達(dá)3.5Gev，可達(dá)到世界先進(jìn)水平。我國除上述裝置以外，在臺(tái)灣新竹還建有一個(gè)低能的1.3Gev的第三代同步輻射裝置。

同步輻射的應(yīng)用

同步輻射光是一個(gè)連續(xù)的波譜，從VUV到幾千Kev能量的X射線均有分布，從而為相關(guān)科學(xué)研究提供高亮度、高準(zhǔn)直性的優(yōu)質(zhì)光源。對(duì)于同步輻射的應(yīng)用有以下幾個(gè)大方面的應(yīng)用。

 

 

參考文獻(xiàn)：

馬禮敦，楊福家主編，同步輻射概論，復(fù)旦大學(xué)出版社，2000