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，你會選擇什么工具？科學家肯定會向你首推同步輻射，因為科學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，它其實是一種由高速運動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。

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

同步輻射的名字起源于1947年的一個偶然發(fā)現(xiàn)。那一年，在美國紐約州斯克內(nèi)克塔迪的一家實驗室里，人們在調(diào)試新建成的70 MeV電子同步加速器時，首次看到一種強烈的藍白色弧光。經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)這是加速運動的電子所產(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”。

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

（圖片來源：參考文獻[3]）

同步輻射從哪兒來？

你知道嗎？同步輻射不僅僅存在于實驗室里，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，也會發(fā)出同步輻射，天文學家靠它來研究這些神秘天體，如科學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鏡的NIRCam（近紅外相機）和MIRI（中紅外儀器）拍攝的蟹狀星云新細節(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，正在建設(shè)和設(shè)計的有近10個。第一代同步輻射研究始于20世紀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，而是在高能物理實驗期間以共生方式產(chǎn)生，主要共生于大型正負電子對撞機，如北京正負電子對撞機國家實驗室（BEPC）的同步輻射裝置（BSRF）。但由于同步輻射與高能物理實驗需求不一致，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驗裝置。也正是在這一時期，人們開始使用扭擺器的強磁場裝置來增強輻射。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)實現(xiàn)極低發(fā)射度，并在束線設(shè)計中強化X射線相干性，大幅提升了光源的亮度和相干性。

當前，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）和合肥先進光源（HALF）等等。

結(jié)語

同步輻射雖然名字高冷，但它其實是現(xiàn)代科學的超級顯微鏡和超級攝像機。它讓我們得以窺見肉眼無法看到的微觀世界，推動著醫(yī)學、能源、信息技術(shù)、材料、化學、地質(zhì)等多個領(lǐng)域的發(fā)展和進步。例如，疫情期間，科學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)計提供了關(guān)鍵信息。

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

參考文獻：

[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（深圳理工大學科普主管、中國科普作家協(xié)會會員）

監(jiān)制：中國科普博覽