同步輻射簡介
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，相應于光子的能量為100電子伏到10E12電子伏。波長越短，能量越高。
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接近光速運動著的電子或正電子在改變運動方向時放出的電磁波叫做輻射波，因為這一現(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
高強度
如用X光機拍攝一幅晶體缺陷照片，通常需要7-15天的感光時間，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，進行單色光的實驗。
高準直性
利用同步輻射光學元件引出的同步輻射廣源具有高度的準直性，經(jīng)過聚焦，可大大提高光的亮度，可進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存環(huán)中周期運動的電子束團輻射發(fā)出的，具有納秒至微秒的時間脈沖結(jié)構(gòu)。利用這種特性，可研究與時間有關(guān)的化學反應、物理激發(fā)過程、生物細胞的變化等。
偏振性
與可見光一樣，儲存環(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動時沿切線方向發(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，但對同步輻射的研究與認識并非從此開始，對于這種高速運動的電子的速度改變時會發(fā)出輻射的現(xiàn)象早就被人們所認識并經(jīng)歷了長期的理論研究，但要從實驗上觀察到這種輻射卻不是一件容易的事，需要有以近光速運動的高能量電子，電子加速器的發(fā)展成為獲得同步輻射的技術(shù)基礎。
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行。對于電子，其帶電量為一個電子電菏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烈的電感應來加速，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減速。這種用高頻高電壓加速的粒子流在時間上是一段一段的，脈沖式的，是很窄的粒子流，成為一個個束團。為了利用高電壓來加速，人們把多個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圓筒上，各個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加速器
如果要用直線加速器得到很高的電子能量，整個加速器要做的很長，很不經(jīng)濟。到了20世紀20年代，回旋加速器（cyclotron）和電子感應（betatron）相繼發(fā)明，有了把電子加速到極高能量的可能。回旋加速器是利用高頻感應電壓給電子加速增能和用磁場使帶電粒子做繞圈運動這兩種作用建立起來的。電子在圓形環(huán)中運動，在加速間隙得到加速，所運行的軌道半徑也一步一步增加，以達到加速增能的目的。電子感應加速器是利用電子繞圈內(nèi)的磁通變化所感應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)狀運動，經(jīng)過高頻時得到加速。為使加速后的電子仍以相同的半徑作環(huán)形運動，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70年代中期，人們進一步認識到在高能物理中用于對撞實驗的電子存儲環(huán)來發(fā)生同步輻射更合適，因為電子在存儲環(huán)中以一定的能量作穩(wěn)定的回環(huán)運動，這與同步加速器中的電子的能量不斷改變的情況不同，因而能長時間的穩(wěn)定的發(fā)出同步輻射光。隨著電子存儲環(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射線一直擴展到硬X射線。
同步輻射較之常規(guī)光源有許多優(yōu)點。比如它頻譜寬，從紅外一直到硬X射線，是一個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)點是亮度大，對第一代光源，亮度可達10E14~10E15，比轉(zhuǎn)靶X射線發(fā)生器的特征譜的亮度10E11高出三四個數(shù)量級。高亮度的光強可以做空前的高分辨率（空間分辨，角分辨，能量分辨，時間分辨）的實驗，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；另外還有時間結(jié)構(gòu)、偏振特性，有一定的相干性和可準確計算等等。正因為有以上各種優(yōu)點，它在科學、技術(shù)、醫(yī)學等眾多方面解決了一批常規(guī)實驗室無法解決的問題，做出了重大貢獻，世界各國特別是發(fā)達國家對此都十分重視，紛紛建立了自己的同步輻射實驗中心。
我國的同步輻射事業(yè)是從20世紀70年代末北京正負電子對撞機（BEPC）的建造開始的，起初是為高能物理研究而設計的，在1984年的一期工程期間決定一機兩用，同時開展同步輻射的應用，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，建設了一些使用硬X射線的實驗站，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，計量標準站等，最近正在建造并已部分完成了生物大分子、中能X光站，并進行了部分線站的調(diào)整和重建，出色地完成了一批實驗室設備不能完成的工作。但缺點是因為要進行高能物理實驗，不能按同步輻射的要求進行運轉(zhuǎn)，而且實驗機時受很大限制，一年只有3個月左右的用光時間，遠不能滿足用戶的需求。中國科技大學提出并在1983年獲國家批準建設一臺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VUV環(huán)。該裝置于20世紀90年代初建成，稱為國家同步輻射實驗室（NSRL）。1992年開始為用戶服務，有光電子能譜，光化學，光刻，軟X射線譜及時間分辨五個實驗站。1999年成功安裝運轉(zhuǎn)了一臺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驗能力。但由于是低能環(huán)，硬X實驗站不多，有局限性，目前正在進行二期工程擴建。因為北京和合肥的同步輻射裝置都各有自己的缺點，中央和上海市政府準備在上海市建一個第三代的同步輻射裝置，能量高達3.5Gev，可達到世界先進水平。我國除上述裝置以外，在臺灣新竹還建有一個低能的1.3Gev的第三代同步輻射裝置。
同步輻射的應用
同步輻射光是一個連續(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)科學研究提供高亮度、高準直性的優(yōu)質(zhì)光源。對于同步輻射的應用有以下幾個大方面的應用。
參考文獻：
馬禮敦，楊福家主編，同步輻射概論，復旦大學出版社，2000