同步輻射？這么高冷的名字，是做什么的？

如果哪一天你突發奇想，想在原子或分子水平上了解物質的結構和變化，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構、分析古代文物的成分，甚至觀察材料內部的原子排列。

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軌道切線方向發出的電磁輻射。

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。這個現象就像是在雨中快速轉動雨傘，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年的一個偶然發現。那一年，在美國紐約州斯克內克塔迪的一家實驗室里，人們在調試新建成的70 MeV電子同步加速器時，首次看到一種強烈的藍白色弧光。經分析，發現這是加速運動的電子所產生的光輻射，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試新建成的70 MeV電子同步加速器時，首次發現了同步輻射

（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時，也會發出同步輻射，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現了同步輻射。

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。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年發現同步輻射后，目前，世界上已建成的同步輻射裝置有60多個，正在建設和設計的有近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用非常受限。

到了70年代中期，專門用于產生同步輻射光的設施開始建造。這些早期同步輻射裝置主要依靠彎轉磁鐵產生同步輻射，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，通過優化置于直線段中的磁結構（如扭擺器和波蕩器），建造了性能更優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）通過新型加速器結構實現極低發射度，并在束線設計中強化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。

結語

同步輻射雖然名字高冷，但它其實是現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，推動著醫學、能源、信息技術、材料、化學、地質等多個領域的發展和進步。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鍵蛋白的結構，為疫苗和藥物設計提供了關鍵信息。

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、中國科普作家協會會員）

監制：中國科普博覽