同步辐射光源及其应用
沈元华
(复旦大学物理教学实验中心上海200433)
摘 要:介绍了同步辐射光源的产生、特点及其应用.
关键词:同步辐射;光源;加速器
Synchrotron radiation source and its applications
SHEN Yuan-hua
(Central Labo rato ry fo r Phy sics Educatio n,Fudan University,Shang hai,200433)
Abstract:The forma tio n,characteristics and applicatio ns of synchro tro n radiatio n so urce are introduced.
Key words:synchrotron radiatio n;ligh t source;accelerato r
在著名科学家谢希德、杨福家等院士的倡议下,一座投资十亿的宏伟建筑即将耸立在上海浦东高科技园区,它就是世界瞩目的第三代同步辐射光源——上海光源.
什么是同步辐射光源?它与普通光源有什么区别?它有什么重大的科学意义和应用价值?本文将做一简要介绍.
1 同步辐射光源的产生
同步辐射光源是由同步加速器的发展而产生的.著名原子物理学家尼·玻尔说过,高速粒子与物质相互作用时发生的各种效应,是获取原子结构信息最主要的来源之一.事实上,科学家们往往要用高速运动的粒子去轰击原子核,观察撞击时发生的种种变化,才能了解原子的结构和原子内部的各种秘密.各种加速器正是为获得这种高速运动的粒子而建造的.早期的加速器是直线型的,要获得的粒子速度越快,其长度也要越长.为了缩短加速器的长度,可用磁场使带电粒子发生偏转而作回旋运动,这就是回旋加速器.这种加速器利用强大的磁场,使带电粒子作回旋运动而不断加速.由于在一定的磁场作用下,粒子的回旋轨道半径随其速度的增加而增加,故磁场空间必须很大.因此,这种高能回旋加速器的磁铁是极其笨重的.
为了减轻磁铁的重力,并进一步提高粒子的速度,人们设计出采用环形电磁铁并不断改变磁场强度,使粒子的轨道半径保持恒定的加速器.这种固定轨道、用调变磁场的方法实现电场对粒子的同步加速的加速器,就称为同步加速器.带电粒子在同步加速器中按同一轨道作圆周运动,可以大大提高粒子的能量和速度.然而,当粒子的能量越来越大时,人们发现要进一步加速却越来越困难了.其根本原因之一就是带电粒子改变运动方向(转弯)时,必然伴随着电磁波的辐射,即光波的发射;粒子的能量越大,辐射就越强.虽然早在1898年理论物理学家Lienard就预言带电粒子作圆周运动时会产生辐射而发光,但是直到本世纪四十年代末,才由Pollack等人在美国通用电气公司的一台同
步加速器上观测到这种辐射,被命名为“同步辐射”,而专门用来产生同步辐射的加速器就称为“同步辐射光源”.2 同步辐射光源的特点
同步辐射光源是有史以来人类制造的最优秀的光源.由同步加速器中发出的同步辐射光有以下特点:
1)亮度极高,可与激光相媲美.
2)波长范围极宽,包含从红外光、可见光直到X 光等各种波长的光,并且可以根据需要来选择波长.这种极宽的波长范围,是任何其它光源所没有的,更是它比激光更优越的主要特点.
3)强度和各种性能参量都能保持高度的稳定,并且可以人为控制和精确计算出来,这是普通光源和激光都难以具备的.
4)它是一种在超高真空环境里纯粹由电子改变运动方向而产生的超纯光,而不像其他任何光源是由物质的原子所发的光,因而用它作任何高纯度的实验都不必担心由光源带来的污染.
此外,同步辐射光在光脉冲的持续时间、偏振态等方面还有许多独特的优点.
自六十年代以来,同步辐射作为一种光源经历了三代的发展.第一代主要在七十年代,人们利用已建成的能量较低的同步加速器,在进行高能物理研究的同时,进行同步辐射光性能的研究与初步应用.如北京的正负电子对撞机就属于第一代的同步辐射光源.在八十年代,人们开始建立专门用于同步辐射光源的装置,称为第二代同步辐射光源,其特点是在电子加速的路径上再设置一些插入件,如扭摆器、波荡器等,用适当的磁场使电子在运动过程中发生扭摆和波荡,从而发出更多的同步辐射,并使这些辐射因相互叠加而进一步加强,它的亮度比第一代同步辐射光源提高了几百至几千倍.中国科技大学的国家同步辐射实验室用的就是属于第二代的同步辐射光源.到了九十年代,人
们继续努力提高同步辐射光源的性能,优化设
计,增加更多的插入件,使同步辐射光的亮度比第二代又提高了几百至几千倍,这就是第三代同步辐射光源.即将建造的上海光源就是最新
图1 上海光源初步设计方案示意图
一代的光源,其结构的初步设计方案如图1所示.主要由三部分组成:直线加速器A 把电子初步加速到约20MeV 后,注入到同步加速器(也叫“增能器”)B 中,电子在其中被加速到约2GeV 而进入电子储存环C 内.在电子储存环中,有多种弯转磁铁和波荡器、扭摆器等,电子束在其中发出的各种同步辐射被各条光束线引出而供应用.目前世界上已有5台第三代同步辐射光源在运行,正在建造的还不少.上海光源的建成,将使我国在同步辐射领域的研究工作跨入世界先进行列.3 同步辐射光源的应用
光历来被人们用作认识世界和改造世界的强大武器,而有了这么好的光源当然会有许多重大应用.下面举几个例子来说明同步辐射的神奇应用.
3.1 直接观察细胞内部活动的X 光显微术
由于分辨本领的限制,普通光学显微镜不能看清大小只有几十纳米甚至更小的病毒的形貌或细胞的内部结构;电子显微镜虽然可以看清一切细胞或病毒的结构,但由于电子必须在真空中运行,而且电子对于水和蛋白质、碳水化合物等的穿透能力几乎相同,所以生物样品必
须进行切片、染色、脱水、干燥才能进入真空室中观察.这样,生物都成了“死物”,看到的形象与真实的情况大不相同.
X 光的波长比可见光的波长短几百倍,因而其分辨本领也比可见光大几百倍.特别是称为“水窗”的波段(波长大约为2～4nm 的X 光),X 光对于水是透明的而对于蛋白质、碳水化合物等都不透明.利用这个天然的“水窗”,可以不必染色、不必脱水、不必抽真空而直接观察活生生的细胞或细胞器的超微结构以及内部的活动情况.实际上,在一些先进国家的同步辐射装置中,已经安装了专门的光束线来作X 光显微工作.图2是柏林BESSY 同步辐射装置上的哥廷根X 光显微镜拍摄的一幅疟疾病人红血球显微照片,右上方的是正常红血球,左下方的是有疟原虫寄生的红血球
.
图2 哥廷根X 光显微镜拍摄的红血球照片
3.2 超微加工技术
强大的X 光光束不仅可以用来进行显微观察,而且可以用来进行超微加工.实际上,微机械加工技术由于同步辐射光的应用而有了飞速的发展.人们曾经用微电子学的方法制成了一些用于人造卫星、计算机通讯、医药及生命科学等方面的微电子机械,如微齿轮、微马达、微型泵等,但造价昂贵,结构太薄(1～3μm ),极易破碎.采用同步辐射中的X 光进行深度光刻,这种微机械的厚度达到几百微米而极其牢固,并且可以做得更复杂精巧、功能更丰富优越,还可用复制的方法大批生产而降低成本.例如,目前已制成只有砂子那么大(直径5mm ,厚度0.5mm )的“硅片化工厂”,它由超声泵、混合
器、加热器等部分组成,在这么小的“工厂”里,已经成功地实现了DN A 的复制,比常规工厂的反应速率更快、功耗更低.把特种微机械注入血管去清除血管内壁的赘生物,从而医治血管堵塞的研究工作也已经在进行了.
3.3 X 光吸收光谱精细结构的研究
物质对光的吸收谱线的位置代表着物质微观状态的能量结构:光谱线的强度反映出物质内部电子电荷的空间分布;光谱线的宽度则对应于激发态的寿命.因此,研究物质的吸收光谱是研究材料物性的重要手段.可见光和红外光的吸收光谱主要反映物质原子外层电子的状态,紫外光直至X 光的吸收光谱则主要反映物质原子内层电子的状态.由于同步辐射中的X 光非常强而且波长可调,因而可以研究X 光吸收谱线的精细结构,这就为材料物性的研究提供了强有力的手段.
3.4 速度更快、体积更小、容量更大的计算机微电子技术的核心是制备集成电路,目前制备集成电路芯片的主要工艺是采用可见光或紫外光的光刻技术.光刻的条纹越细、越密,则图形就可做得越小,同样大小器件的功能就越强,速度就越快.所以,为了使芯片上的线路更密集,必须采用波长合适的光来刻蚀,太长太短都会使图形变模糊;此外,光束的方向还必须是高度集中的,否则也会导致图形的弥散.由此可知,同步辐射光的波长可选择性以及方向的高度集中在这里是英雄大有用武之地了.图3是分别用汞灯紫外线、准分子激光和同步辐射X 光进行光刻所得图形的比较.由图3可见,同步辐射光所得图形最为清晰;特别在转角处,最为明朗和尖锐
.
图3 不同光束光刻结果的比较
除了制造体积更小、速度更快的芯片以外,同步辐射还能用于增加磁盘的信息容量.这是因为同步辐射中可以产生极强的左旋或右旋的偏振光束.这些光束的偏振态可以很方便地人为控制,特别适宜于研究材料的磁性.例如,目前美国海军实验室N RL的科学家正在用同步辐射光研究非对称的TbFe薄膜的结构、磁化特性及其用于计算机中磁光储存器件的前景.一旦成功,将出现新一代更高密度的储存装置,从而使计算机的容量更大.
3.5 医学诊断与治疗
同步辐射在医学上的应用前景十分广阔,攻克冠心病是它的首要目标之一.冠心病是目前威胁人类生命最可怕的疾病之一,死亡率非常高,其重要原因是缺乏灵敏的诊断手段.只有当冠状动脉堵塞达80%时,才表现出明显的症状(如心绞痛等),这时去看医生为时已晚.X光心血管造影是一种早期诊断的有效手段,但目前的心血管造影术要用高浓度的碘剂通过导管插入心脏才能进行,这是一个危险的手术.据统计,进行这种插管手术引起中风、心搏猝停、心肌梗死等并发症的人数占1%～4%,引起死亡的则占0.1%～0.3%.尚未有明显症状的人,谁愿意去冒险作这种检查呢?
利用同步辐射作冠状动脉心血管造影,情况就大不相同了.首先,它可以选择灵敏度最高的波长范围;其次,它可以用两个波长同时检测,因而灵敏度大大提高.这样,不仅患者所受的X光剂量更小,而且因为曝光时间远小于心血管搏动的时间,使照片更加清晰.更重要的是用同步辐射后,免除了插管手术的危险,因为只要很低浓度的碘剂即可进行这样的检查,这种低浓度的碘剂不必开刀从心脏插入导管,而只要像通常打针那样从静脉注入就可以了.这种心血管造影的装置如图4所示
.
图4 同步辐射X光心血管造影装置示意图当然,除了冠心病以外,同步辐射在医学上的应用还很多.例如,用于微束CT诊断和治疗脑瘤;观测细胞中DN A的结构,找到控制癌细胞生长分裂的“开关”,从而有效地制止其无限生长;用于分析艾滋病病毒HIV粒子是如何通过蛋白酶的作用来传播的,从而有助于药物设计师设计出阻止这种蛋白酶生长的药物,达到控制艾滋病的目的……等等.这些研究目前都正在进行,有些已取得了初步的成果.一旦研究成功,同步辐射就将成为严重危害人类健康疾病的克星!
总之,同步辐射光源有极其重要的科学意义和十分广泛的应用前景.我们期望上海光源的早日诞生!
4 参考文献
1 杨福家等.原子核物理.上海:复旦大学出版社, 1993
2 倪光炯等.改变世界的物理学.上海:复旦大学出版社,1999
3 章志鸣等.光学.北京:高等教育出版社,2000
(2000-11-20收稿)
原子能科学技术990108 原子能科学技术 Atomic Energy Science And Technology 1999年 第33卷 第1期 Vol.33 No.1 1999 第三代同步辐射光源HELS的设计研究 金玉明 刘祖平 田宝瑛 贾启卡 赵爱华 周安奇 李永军 叙述了第三代同步辐射光源HELS的设计研究，包括1台能量为7 GeV的光源储存环，1台7 GeV的电子同步加速器注入器和1台450 MeV的电子直线加速器预注入器。光源储存环的束流发射度达到2.33 nm*rad，是目前世界上现有的同样能量的光源储存环的发射度的三分之一左右。从储存环的插入元件波荡器(Undulator)引出的同步光的亮度达到1020(即在s-1*mm-2*mrad-2/0.1 %带宽内的光子数)，比目前国际上同样能量光源的亮度高1～2个数量级。 关键词 同步辐射光源 储存环 束流发射度 亮度 中图法分类号 TL503.3 DESIGN STUDY FOR HELS, THIRD GENERATION SYNCHROTRON RADIATION LIGHT SOURCE Jin Yuming Liu Zuping Tian Baoying Jia Qika Zhao Aihua Zhou Anqi Li Yongjun (National Synchrotron Radiation Laboratory, University of Science and Technology of China, Hefei, 230029) ABSTRACT The paper discribes design study of third generation synchrotron radiation light source, high energy light source (HELS). It includes a light source storage ring of 7 GeV, an electron injector synchrotron of 7 GeV and a preinjector linac of 450 MeV. The beam emittance of the storage ring is 2.33 nm*rad, that is about one third of the existing light source of similar energy in the world. The brilliance of the synchrotron radiation from undulators can reach 1020(photons*s-1*mm-2*mrad-2/0.1 %BW); 1～2 orders higher than the existing light sources. Key words Synchrotron radiation light source Storage ring Beam emittance Brilliance 80年代末到90年代初世界上陆续建成了8台第三代同步辐射光源(第三代同步辐射光源指束流发射度低、出光主要靠双插入元件的辐射)。到本世纪末，全世界将会有10余台第三代同步辐射光源运行［1，2］。这些光源可分为两类：一类能量范围为0.8～2 GeV，属于真空紫外和软X射线的同步辐射光源；另一类能量范围为6～8 GeV，属于硬X射线的同步辐射光源［3］。我国在80年代末相继建成了北京正负电子对撞机BEPC (2.5 GeV，第一代光源)和合肥光源HLS(0.8 GeV，第二代)，90年代初又有台湾省的SRRC(1.3 GeV，第三代)开始运行。加上正在设计的上海的SSRF(2.2 GeV，第三代)，到下世纪初我国将有4台2.5 GeV以下的储存环光源，其中两台为第三代光源。1983年美国file:///E|/qk/yznkxjs/yznk99/yznk9901/990108.htm（第 1／8 页）2010-3-23 14:09:23
第十五章 同步辐射原理与应用简介§ 周映雪 张新夷 目 录 1. 前言 2．同步辐射原理 2.1 同步辐射基本原理 2.2 同步辐射装置：电子储存环 2.3 同步辐射装置：光束线、实验站 2.4 第四代同步辐射光源 2.4.1自由电子激光（FEL） 2.4.2能量回收直线加速器（ERL）同步光源 3. 同步辐射应用研究 3.1 概述 3.2 真空紫外（VUV）光谱 3.3 X射线吸收精细结构（XAFS） 3.4 在生命科学中的应用 3.5 同步辐射的工业应用 3.6 第四代同步辐射光源的应用 4．结束语 参考文献 §《发光学与发光材料》（主编：徐叙瑢、苏勉曾）中的第15章：”同步辐射原理与应用 简介”，作者：周映雪、张新夷，出版社：化学工业出版社 材料科学与工程出版中心；出版日期：2004年10月。
1. 前言 同步辐射因具有高亮度、光谱连续、频谱范围宽、高度偏振性、准直性好、有时间结构等一系列优异特性，已成为自X光和激光诞生以来的又一种对科学技术发展和人类社会进步带来革命性影响的重要光源，它的应用可追溯到上世纪六十年代。1947年，美国通用电器公司的一个研究小组在70MeV的同步加速器上做实验时，在环形加速管的管壁，首次迎着电流方向，用一片镜子观测到在电子束轨道面上的亮点，而且发现，随加速管中电子能量的变化，该亮点的发光颜色也不同。后来知道这就是高能电子以接近光速在作弯曲轨道运动时，在电子运动轨道的切线方向产生的一种电磁辐射。图1是当时看到亮点的电子同步加速器的照片，图中的箭头指出亮点所在位置。那时，科学家还没有意识到这种同步辐射其实是一种性能无比优越的光源，高能物理学家抱怨，因为存在电磁辐射，同步加速器中电子能量的增加受到了限制。大约过了二十年的漫长时间，科学家（非高能物理学家）才真正认识到它的用处，但当时还只是少数科学家利用同步辐射光子能量在很大范围内可调，且亮度极高等特性，对固体材料的表面开展光电子能谱的研究。随着同步辐射光源和实验技术的不断发展，越来越多的科学家加入到同步辐射应用研究的行列中来，同步辐射的优异特性得到了充分的展示，尤其是在红外、真空紫外和X射线波段的性能，非其他光源可比，很多以往用普通X光、激光、红外光源等常规光源不能开展的研究工作，有了同步辐射光源后才得以实现。到上世纪九十年代,同步辐射已经在物理学、化学、生命科学、医学、药学、材料科学、信息科学和环境科学等领域，当然也包括发光学的基础和应用基础研究，得到了极为广泛的应用。目前，无论在世界各国的哪一个同步辐射装置上，对生命科学和材料科学的研究都具
第20卷第2期2006年3月 常熟理工学院学报 Journal of Changshu Institute of Technology Vol.20No.2 Mar.2006同步辐射光源简介 谭伟石1,蔡宏灵2,吴小山2 (1.南京理工大学理学院应用物理系,江苏南京 210094; 2.南京大学固体微结构实验室,江苏南京 210093) 摘 要:简要介绍了同步辐射概念、同步辐射光源的特点及我国同步辐射光源发展的现状。 关键词:同步辐射光源;同步辐射特点;发展现状 中图分类号:TL8O43 文献标识码:A 文章编号:1008-2794(2006)02-0097-05 著名的物理学家杨福家先生概括了人类文明史上影响人类生活的光源的进展,分为四类[1]:第一类光源是1879年美国发明家爱迪生发明的电光源。不言而喻,人类现在的生活与文明离不开电光源,它使人类战胜了黑暗。 第二类光源是1895年德国科学家伦琴发现的X射线源。“X”是“未知”的符号,但是这种神秘莫测的、肉眼看不见的X光从被发现的时候就展现了它的魅力和对人类的巨大影响。 第三类光源是20世纪60年代美国与前苏联一批科学家创造的激光光源。目前激光的应用已经进入千家万户。如我们家庭中的激光唱片,超市的收款机所用的激光扫描器等,当然也有用于激光核聚变的大功率激光设备等,对人类的生活带来了巨大变化。 第四类光源就是同步辐射光源。1947年在美国纽约州Schenectady市通用电气公司实验室的一台能量为70Me V的同步加速器上,首次观察到一种强烈的辐射,这种辐射便被称为“同步辐射”。同步辐射是速度接近光速的带电粒子在磁场中沿弧形轨道运动时放出的电磁辐射。由于同步辐射消耗了能量,妨碍了高能粒子能量的提高,所以当时一直被认为是个祸害,没有得到重视。但是,人们很快便了解到同步辐射是具有从远红外到X光范围内的连续光谱、高强度、高度准直、高度极化、特性可精确控制等优异性能的脉冲光源,可用于其它光源无法实现的许多前沿科学技术研究。而现在同步辐射已经成为一个重要的科学研究平台,它的应用领域已经覆盖了物理、化学、生物、材料、医药、地质等众多领域,已经成为衡量一个国家科研水平的重要标准。 1 同步辐射特点 同步辐射的主要设备,包括储存环、光束线和实验站。储存环使高能电子在其中持续运转,是产生同步辐射的光源;光束线利用各种光学元件将同步辐射引出到实验大厅,并“裁剪”成所需的状态,如单色、聚焦,等;实验站则是各种同步辐射实验开展的场所。同步辐射光源是人类发现的第四代光源。与前三种光源相比,它具有诸多优点: 1.1 频谱分布宽广 收稿日期:2005-10-15 作者简介:谭伟石(1970—),男,湖南安化人,副教授。 DOI:10.16101/https://www.doczj.com/doc/3617296323.html, https://www.doczj.com/doc/3617296323.html,32-1749/z.2006.02.020
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（R?ntgen）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
1 同步辐射光源的原理和发展历史 同步辐射是电子在作高速曲线运动时沿轨道切线方向产生的电磁波，因是在电子同步加速器上首次观察到，人们称这种由接近光速的带电粒子在磁场中运动时产生的电磁辐射为同步辐射，由于电子在图形轨道上运行时能量损失，故发出能量是连续分布的同步辐射光。关于由带电粒子在圆周运动时发出同步辐射的理论考虑可追溯到1889年Lienard的工作，进一步的理论工作由Schott， Jassinsky， Kerst及Ivanenko， Arzimovitch和Pomeranchuk等直至1946年才完成，Blewett的研究工作首次涉及同步辐射对电子加速器操作的影响，并观察到辐射对电子轨道的影响，Lee和Blewett较详细地给出了发展史的评论。 至今，同步辐射光源的建造经历了三代，并向第四代发展。 （1）第一代同步辐射光源是在为高能物理研究建造与电子加速器和储存环上的副产品。 （2）第二代同步辐射光源是专门为同步辐射的应用而设计建造的，美国的Brokhaven国家实验室（BNL）两位加速器物理学家Chasman和Green[1]把加速器上使电子弯转、散热等作用的磁铁按特殊的序列组装成 Chasman2Green 阵列(Lattice，这种阵列在电子储存环中采用标志着第二代同步辐射的建造成功。 （3）第三代同步辐射光源的特征是大量使用插入件（Inserction Devices），即扭摆磁体（Wiggler）和波荡磁体（Undulator）而设计的低发散度的电子储存环。 表1为三代同步辐射光源的重要参数比较，其中表征性能的指标是同步辐射亮度，发散度以及相干性。 表1 三代同步辐射光源主要性能指标的比较
同步辐射光源 1. 序言 相对论性带电粒子作曲线运动放出的电磁辐射就是同步辐射。那为什么不叫电磁辐射，而叫同步辐射? 这反映一个人类认识自然的过程。 1898年, A. Lienard [1] 就由理论上预言,沿半径为R 作圆周运动的相对论性带电粒子放出电磁辐射，并给出瞬时辐射功率P 表示式： 4 224 2 )/)(/(32mc E c e P ρβ = (1.1) 其中e ，m ，β，E 分别为带电粒子的电荷、静止质量和相对论速度、能量；c 为光速。该式是在粒子的能量变化率远远小于动量的变化率时成立。圆形加速器，如同步加速器（Synchrotron ）和电子回旋加速器（Betatron ）是满足该条件的。 从这以后不断的有理论上的预言，1907年 G. A. Schott [2,3] 推出了在均匀磁场中作园周运动的相对论电子的电磁辐射的角分布的表示式。到四十年代，在粒子加速器的建造中，每一次加速器能量的提高都重新激起对这个问题的注意。1944年苏联科学家 D. Ivanenko 和 I. Pomeranchuk [4]亦预言了在圆形加速器中电子存在重大的能量辐射损失。1946年 Julian Schwinger [5] 发展了这个经典的辐射理论，使适应任意的电子轨道。且得到了园周运动情况下辐射频率分布与轨道频率的谐波关系。他还得到了两个重要的结果：(a) 辐射的空间分布在电子的瞬时运动方向上（即沿着轨道的切线方向）形成尖锐的峰；(b) 随着电子能量的增加，电磁辐射扩展到轨道频率的更高次的谐波。1947年我国的朱洪元[6]先生给出了高速带电粒子在磁场中的辐射谱和角分布。1948年苏联科学家D.Ivanenko 和A.A.Sokolov [7] 亦提出了电子辐射的经典理论。 实验上探测该种辐射始于1946年，J.P.blewett [8] 和G.C.Baldwin 在美国纽约Schenectady 的通用电气实验室 (the General Electric Research Labs) 100MeV 电子回旋加速器 (betatron) 上进行电磁辐射的探测。J.P.Blewett 坚信电子的电磁辐射有一个很宽的频谱，故 G.C.Baldwin 与同事用镀银的面包圈形 (doughnut) 天线在电子回旋加速器的真空盒外部和内部均作了接受基波和高次谐波的实验，结果什么也没有测到。这是由于不透辐射的天线镀层完全屏蔽了辐射。这样使同步辐射的发现推迟了一年。 1947年4月，F.R.Elder [9] 等人在美国通用电气实验室的70MeV 电子同步加速器上首次观察到了电子的电磁辐射，因此命名为同步辐射。 这加速器是由Herbert C. Pollock 领导建造的。当时在建造过程中加速器没有用辐射屏蔽完全包住，由于H.C.Pollock 担心发生电击穿，采用了透明的真空盒，且在辐射屏蔽的角上安装了一个镜子，以观察是否发生电火花。实验时，技术员Floy Haber 冒险的瞥了一下镜子，发现了强烈的弧光。经研究即相对论电子产生的电磁辐射，该辐射高次谐波的强度是轨道频率的107倍。 G.C.Baldwin [10] 1975年在Phys. Today 上发表一篇文章，说到其与同步辐射的发现失之交臂的情况。认为如果当年他作某些细致的设计和自觉的违反辐射安全规则，他将是发现者，同步辐射将以电子回旋辐射命名（betatron radiation ）。 1954年 J.Schwinger [11]又计算出以上经典理论适用的范围：当辐射的光子的动量与电
专题综述 同步辐射的基本知识 第一讲杨传铮1,22 (1.中国科学院,;上海硅酸盐研究所,上海200050) FSYNCHROTRONRADIATION ———LRE1PRINCIPLE,CONSTRUCTIONANDCHARACTERS OFSYNCHROTRONRADIATIONSOURCE YANGChuan2zheng1,CHENGGuo2feng2,HUANGYue2hong2 (1.ShanghaiInstituteofMicro2SystemandInformationTechnology,ChineseAcademyofSci ence,Shanghai200050,China; 2.ShanghaiInstituteofCeramicsChineseAcademyofSciences,Shanghai200050,China) 中图分类号:O434.11文献标识码:A文章编 号:100124012(2008)0120028205 1同步辐射光源的原理和发展简史 同步辐射是电子在作高速曲线运动时沿轨道切线方向产生的电磁波,因是在电子同步加速器上首次观察到,人们称这种由接近光速的带电粒子在磁 场中运动时产生的电磁辐射为同步辐射,由于电子在图形轨道上运行时能量损失,故发出能量是连续分布的同步辐射光。关于由带电粒子在圆周运动时发出同步辐射的理论考虑可追溯到1889年Lienard的工作,进一步的理论工作由 Schott,Jassinsky,Kerst及Ivanenko,Arzimovitch和Pomeranchuk 等直至1946年才完成,Blewett的研究工作首次涉及同步辐射对电子加速器操作的影响,并观察到辐射对电子轨道的影响,Lee和Blewett较详细地给出了发展史的评论。 至今,同步辐射光源的建造经历了三代,并向第四代发展。 (1)第一代同步辐射光源是在为高能物理研究建造与电子加速器和储存环上的副产品。 (2)第二代同步辐射光源是专门为同步辐射的应用而设计建造的,美国的Brokhaven 国家实验室(BNL)两位加速器物理学家Chasman和Green[1] 收稿日期:2007209217 作者简介:杨传铮(1939-),男,教授。 把加速器上使电子弯转、散热等作用的磁铁按特殊的序列组装成Chasman2Green 阵列(Lattice),这种阵列在电子储存环中采用标志着第二代同步辐射的建造成功。
同步辐射光源及其应用 沈元华 (复旦大学物理教学实验中心上海200433) 摘 要:介绍了同步辐射光源的产生、特点及其应用. 关键词:同步辐射;光源;加速器 Synchrotron radiation source and its applications SHEN Yuan-hua (Central Labo rato ry fo r Phy sics Educatio n,Fudan University,Shang hai,200433) Abstract:The forma tio n,characteristics and applicatio ns of synchro tro n radiatio n so urce are introduced. Key words:synchrotron radiatio n;ligh t source;accelerato r 在著名科学家谢希德、杨福家等院士的倡议下,一座投资十亿的宏伟建筑即将耸立在上海浦东高科技园区,它就是世界瞩目的第三代同步辐射光源——上海光源. 什么是同步辐射光源?它与普通光源有什么区别?它有什么重大的科学意义和应用价值?本文将做一简要介绍. 1 同步辐射光源的产生 同步辐射光源是由同步加速器的发展而产生的.著名原子物理学家尼·玻尔说过,高速粒子与物质相互作用时发生的各种效应,是获取原子结构信息最主要的来源之一.事实上,科学家们往往要用高速运动的粒子去轰击原子核,观察撞击时发生的种种变化,才能了解原子的结构和原子内部的各种秘密.各种加速器正是为获得这种高速运动的粒子而建造的.早期的加速器是直线型的,要获得的粒子速度越快,其长度也要越长.为了缩短加速器的长度,可用磁场使带电粒子发生偏转而作回旋运动,这就是回旋加速器.这种加速器利用强大的磁场,使带电粒子作回旋运动而不断加速.由于在一定的磁场作用下,粒子的回旋轨道半径随其速度的增加而增加,故磁场空间必须很大.因此,这种高能回旋加速器的磁铁是极其笨重的. 为了减轻磁铁的重力,并进一步提高粒子的速度,人们设计出采用环形电磁铁并不断改变磁场强度,使粒子的轨道半径保持恒定的加速器.这种固定轨道、用调变磁场的方法实现电场对粒子的同步加速的加速器,就称为同步加速器.带电粒子在同步加速器中按同一轨道作圆周运动,可以大大提高粒子的能量和速度.然而,当粒子的能量越来越大时,人们发现要进一步加速却越来越困难了.其根本原因之一就是带电粒子改变运动方向(转弯)时,必然伴随着电磁波的辐射,即光波的发射;粒子的能量越大,辐射就越强.虽然早在1898年理论物理学家Lienard就预言带电粒子作圆周运动时会产生辐射而发光,但是直到本世纪四十年代末,才由Pollack等人在美国通用电气公司的一台同
上海光源实验室 ——中国国家重大科学工程 工程投资额：12亿元 工程期限：2004年—2009年 上海光源是一台高性能的中能第三代同步辐射光源，它的英文全名为Shanghai Synchrotron Radiation facility，简称SSRF。它是我国迄今为止最大的大科学装置和大科学平台，在科学界和工业界有着广泛的应用价值，每天能容纳数百名来自全国或全世界不同学科、不同领域的科学家和工程师在这里进行基础研究和技术开发。 上海光源工程总投资约12亿元人民币,其中国家安排投资4亿元,上海市和中科院各出资4亿元。工程座落在浦东张江高科技园区的张衡路239号，于2004年12月启动，目前已开工近4年，按节点顺利进入最后1/4工期。2008年内，在这座体育场大小的圆形建筑内，直线电子加速器、小环增强器、大环储存器"三大件"都将完成安装，预计再经过一个调试周期，这一光源工程可于后年初正式建成投运。工程用地范围约20万平方米，相当于28个足球场。 这种先进的同步辐射光源装置，可同时提供从"硬X射线"到"远红外波段"的高亮度光束。自1974年同步辐射现象被首次观察到，这类光源装置至今已发展出第三代。各国家和地区现有同步辐射光源50多台，像上海光源这样的第三代光源，已建成11台，在建和设计中的有13台。预计2010年前后，全球每天都有上万名科学家和工程师利用这些光源产生的不同波长的光，从事前沿学科研究和高新技术开发。据悉，上海光源建成后总能量可跻身世界四强，成为我国新世纪必不可少的大科学平台。 该工程主体结构分为三部分，外圈为432米周长的大环储存器，与之相切的内圈是一个180米周长的小环增强器，它连接着中心位置上的直线电子加速器---这一整条"光电隧道"的能量传送方向为"直线－小环－大环"。目前，"直线"、"小环"内的设备均已安装到位，并且完成了调试，进度比预期快很多，创造出了光源建设领域的世界级速度。同时，工程确保了光束流的轨道稳定在千分之二到千分之五毫米之间，达到国际高精尖水平。年底前，"大环"
https://www.doczj.com/doc/3617296323.html,/wiki/%E5%90%8C%E6 %AD%A5%E8%BE%90%E5%B0%84%E5%85%89%E6%BA %90 同步辐射光源 目录 ??名称 ??简介 ??特点 ??发展 同步辐射光源-名称 同步辐射光源——神奇的光 同步辐射光源-简介 人类文明史是利用和开发光资源的历史 人类生存和发展从来就离不开对“光”的利用和开发，人类的文明史是一部利用和开发“光资源”的历史。“光”是一个很大的家族，其中“可见光”只是“光家族”中的一员。 光可依其波长不同，分为无线电波、微波、红外、可见光、紫外、真空紫外、软 X射线、硬 X射线和伽马(γ)射线等。 光的波长或能量决定了它与物质的相互作用类型，如“可见光”照射人体时，会被反射到我们的眼睛，并被视网膜/视神经所感觉而“看到”人体；而当 X射线光照射人体时，则会穿透过人体，并在 X光底片上留下透过程度的影像纪录，医院里给病人做 X光透视就是这样。 光波具有衍射现象，用光探测物体或分辨两物体时，光的波长应当与物体的大小或两物体的间距相近或更短。因此，天文学家要探测宇宙星球，可以选用无线电波；航空管理者要跟踪飞机，可以选用微波(雷达)。而科学家要研究比“可见光”波长更短的物体，要“看清” 病毒、蛋白质分子甚至金属原子等微观物体，必须选用与这些微观物体大小相近或更短的波长的光束，来照射微观物体，利用光束在物质中的衍射、折射、散射等能够检测到的特性，或者利用光束与物体相互作用产生的光激发、光吸收、荧光、光电子发射等特性，来探究未知的微观世界。
新人工光源带来人类文明的新进步 光是由光源产生的，如太阳、蜡烛和电灯。其中太阳是天然光源，蜡烛和电灯是人工光源。由于可利用的天然光源所产生的光仅占整个光家族的很小部分，所以人类一直在努力开发和利用各种各样的人工光源。任何一种新人工光源的发明和利用，都标志着人类文明新的进步，如伦琴发明?X射线、爱迪生发明的电灯、二次大战中发明的微波、20世纪60年代发明的激光等，都是人工光源发展史上的重大里程碑，它们都极大地促进了人类文明的进步。20世纪60年代末出现的同步辐射光源，是被誉为“神奇的光”的又一种人工光源，它在基础科学研究和高技术产业开发应用研究中都有广泛的用途。 同步辐射光源的发展历史 电磁场理论早就预言：在真空中以光速运动的相对论带电粒子在二极磁场作用下偏转时，会沿着偏转轨道切线方向发射连续谱的电磁波。1947年人类在电子同步加速器上首次观测到这种电磁波，并称其为同步辐射，后来又称为同步辐射光，并称产生和利用同步辐射光的科学装置为同步辐射光源或装置。 30多年来，同步辐射光源已经历了三代的发展，它的主体是一台电子储存环。第一代同步辐射光源的电子储存环是为高能物理实验而设计的，只是“寄生”地利用从偏转磁铁引出的同步辐射光，故又称“兼用光源”；第二代同步辐射光源的电子储存环则是专门为使用同步辐射光而设计的，主要从偏转磁铁引出同步辐射光；第三代同步辐射光源的电子储存环对电子束发射度和大量使用插入件进行了优化设计，使电子束发射度比第二代小得多，因此同步辐射光的亮度大大提高，并且从波荡器等插入件可引出高亮度、部分相干的准单色光。第三代同步辐射光源根据其光子能量覆盖区和电子储存环中电子束能量的不同，又可进一步细分为高能光源、中能光源和低能光源。凭借优良的光品质和不可替代的作用，第三代同步辐射光源已成为当今众多学科基础研究和高技术开发应用研究的最佳光源。 同步辐射光源-特点 同步辐射光的特性 宽波段：同步辐射光的波长覆盖面大，具有从远红外、可见光、紫外直到 X射线范围内的连续光谱，并且能根据使用者的需要获得特定波长的光。 高准直：同步辐射光的发射集中在以电子运动方向为中心的一个很窄的圆锥内，张角非常小，几乎是平行光束，堪与激光媲美。
同步辐射 百科名片 同步辐射 synchrotron radiation ，相对论性带电粒子在电磁场的作用下沿弯转轨道行进时所发出的电磁辐射。至今同步辐射装置的建造及在其上的研究、应用，经历了三代的发展。 目录 编辑本段同步辐射简介 synchrotron radiation 相对论性带电粒子在电磁场的作用下沿弯转轨道行进时所发出的电磁辐射。 同步辐射是速度接近光速（v≈c）的带电粒子在磁场中沿弧形轨道运动时放出的电磁辐射，由于它最初是在同步加速器上观察到的，便又被称为“同步辐射”或“同步加速器辐射[1]”。长期以来，同步辐射是不受高能物理学家欢迎的东西，因为它消耗了加速器的能量，阻碍粒子能量的提高。但是，人们很快便了解到同步辐射是具有从远红外到X光范围内的连续光谱、高强度、高度准直、高度极化、特性可精确控制等优异性能的脉冲光源，可以用以开展其它光源无法实现的许多前沿科学技术研究。于是在几乎所有的高能电子加速器上，都建造了“寄生运行”的同步辐射光束线及各种应用同步光的实验装置。至今，同步辐射装置的建造及在其上的研究、应用，经历了三代的发展。 编辑本段第一代同步辐射光源 是在世界各国为高能物理研究建造的储存环和加速器上“寄生地”运行的。很快地，不仅物理学家，而且化学家、生物学家、冶金学家、材料科学家、医学家和几乎所有学科的基础研究及应用研究的专家，都从这个新出现的光源看到巨大的机会。然而，在对储存环性能的要求上，同步辐
射的用户与高能物理学家的观点是矛盾的，表现在主要是由电子束的发射度所决定的同步辐射的亮度上。它使同步辐射的用户们要求建造专门为同步辐射的应用而设计的第二代同步光源。发射度由第一代装置的几百nm.rad降低到第二代同步光源的50－150nm.rad。 编辑本段第二代同步辐射光源 第二代同步辐射装置对科学技术研究的巨大推动，促使世界各国政府支持建造新一代具有更高亮度的第三代同步辐射光源。第三代同步辐射光源的储存环的发射度一般为10nm.rad量级，并籍助于安装大量的插入件(波荡器和扭摆器)，产生准相干的同步辐射光，这不但使光谱的耀度再提高了几个数量级，而且可以灵活地选择光子的能量和偏振性。 编辑本段第三代同步辐射光源 亮度比最亮的第二代光源至少高100倍，比通常实验室用的最好的X 光源要亮一亿倍以上。它使得同步辐射应用从过去静态的、在较大范围内平均的手段扩展为空间分辨的和时间分辨的手段，这就为众多的学科和广泛的技术应用领域带来前所未有的新机遇。日本的SPring-8是目前世界上能量最高的同步辐射光源，达到8GeV。我国台湾的国家同步辐射中心所拥有的大型粒子加速器及同步辐射装置是亚洲第一座第三代同步辐射光源。 编辑本段同步辐射光源特点 ①光谱连续且范围宽，由于同步辐射是非束缚态电子的辐射，所以它的光谱是连续的，从远红外、可见光、紫外直到硬X射线（104～10-1埃)。 ②辐射强度高，在真空紫外和X射线波段，能提供比常规 X射线管强度高103～106倍的光源，相当于几平方毫米面积上有100千瓦的能流。③高度偏振，同步辐射在电子轨道平面内是完全偏振的光，偏振度达 100％；在轨道平面上下是椭圆偏振；在全部辐射中，水平偏振占75％。④具有脉冲时间结构，同步辐射是一种脉冲光，脉冲宽度为0.1～1纳秒，脉冲间隔为微秒量级（单束团工作）或几纳秒到几百纳秒范围内可调（多束团工作）。 ⑤高度准直，能量大于10亿电子伏的电子储存环的辐射光锥张角小于1毫弧度,接近平行光束，小于普通激光束的发射角。⑥洁净的高真空环境,由于同步辐射是在超高真空(储存环中的真空度为10-7～10-9帕)或高真空（10-4～10-6帕）的条件下产生的，不存在普通光源中的电极溅射等干扰，是非常洁净的光源。⑦波谱可准确计算，其强度、角分布和能量分布都可以精确计算。 编辑本段应用
云南大学学报(自然科学版),2008,30(5):477～483CN53-1045/N ISSN0258-7971 Journal of Yunnan U niversity Ξ 同步辐射光源及其应用研究综述 曾昭权 (云南大学实验中心,云南昆明 650091) 摘要:简要回顾了同步辐射研究的历史,较详细介绍了同步辐射光源的频谱特性、光源结构、实验方法及国内外应用研究的发展状况及研究亮点. 关键词:同步辐射光源;应用研究;频谱特性;光源结构 中图分类号:O433 文献标识码:A 文章编号:0258-7971(2008)05-0477-07 同步辐射是速度接近光速的带电粒子在磁场中沿弧形轨道运行时发出的电磁辐射. 早在19世纪末,经典电动力学研究运动电荷的电磁场时,导出了运动电荷产生的李纳-谢维尔势,亦称推迟势[1].从推迟势的计算中,可以证明作匀速直线运动的点电荷不辐射能量,但加速运动的电荷将产生电磁辐射.这为马可尼发明的无线电报、赫兹发明无线电振子天线和伦琴发现的X射线提供了理论解释的基础.无线通讯和无线电广播的天线就是利用电子沿直导线作简谐运动时产生的电磁辐射,而伦琴射线则为真空中高能电子轰击金属靶时速度骤减发出的韧致辐射. 1912年肖特(G1A1Schott)发表专著[2],论述了作圆周运动电子的辐射理论.1947年哈伯(F1Haber)等在美国通用电气公司70MeV电子同步加速器上首次观察到这种辐射,由于它是在电子同步加速器上被观察到的,故称做同步辐射,英文名为Synchrotron radiation,简称SR. 1949年美国的施温格(J1Schwinger)测定了同步辐射的性质[3].此后,还有索科洛夫(A1A1Sokolov)、杰克逊(J1D1Jackson)及其他许多人,相继展开了更深入的研究.然而,直到1970年以前,电子同步加速器仅只作为高能物理学家产生高能粒子,用以研究高能物理学的工具,同步辐射作为它的伴生副产物,并未得到真正应用.相反,由于同步辐射耗费了电子的能量,使被加速粒子能量难于进一步提高;另外,为防护同步辐射对人体的危害,还加重了实验室的劳保负担. 1970年以后,人们认识到,必须对同步辐射充分加以利用,否则无异于一种极大的浪费.因此, 1970年以后新建造的电子同步加速器,一般在存储环上都备有专门的同步辐射束线输出口,沿弯转磁铁的切线方向输出辐射. 为了进一步提高光源亮度,1980年发明了扭摆器和波荡器,新建造的电子同步加速器普遍安装了扭摆器和波荡器等新型插入件,作为同步辐射的束线输出装置,使同步辐射光源亮度在原有基础上又提高了上1000倍.目前世界上运行着的大型同步辐射光源均属于这一类.电子同步加速器也因此成为专用的同步辐射光源. 扭摆器是一组极性交替变化并按周期排列的磁铁,用以产生垂直方向周期变化的磁场,电子在扭摆器中做近似正弦曲线的扭摆运动,由于扭摆磁场比电子存储环的弯转磁场高许多,输出同步辐射频谱呈连续分布,且强度也大为提高. 波荡器与扭摆器的结构类似,它与扭摆器的主要区别是磁场比弯转磁场低,磁场变化的周期短,周期数多,电子在波荡器中运动轨迹也为近似的正弦曲线,但振幅小.在一定条件下,由于光的相干效应,使输出的同步辐射亮度更进一步提高,比扭摆器的输出提高1000倍,且频谱的短波部分由原来的连续谱变为许多离散的峰组成的线状频谱. Ξ收稿日期:2007-05-08 作者简介:曾昭权(1936- ),男,四川人,教授,主要从事原子分子物理和光谱学研究.
同步辐射技术应用及发展 摘要：同步辐射是圆周运动和蛇行运动时高速电子发射的亮的电磁波，分别有连续和准单色的光谱。真空紫外软X射线、硬X射线和红外线波段是优秀的光，被应用在基础科学、工程学、生物学、医学和环境科学。本文叙述了同步辐射的特点、发生的方法及其应用实例，通过介绍其在生命科学、生物医学、高分子结构分析等领域的应用研究，说明同步辐射广泛的应用。 关键词：同步辐射，生命科学、生物医学、高分子结构分析 1 绪论 1947年，美国纽约州通用电气公司实验室的电子同步加速器首次在可见光范围内观察到了强烈的辐射，从此这种辐射被称为“同步辐射。同步辐射是强度高、覆盖频谱范围广、可以任意选择所需波长，而且连续可调，是继激光光源之后的又一种新型光源。同步辐射发现9年后，美国康奈尔大学用真空紫外波段同步辐射对稀有气体的吸收进行了系统研究，并取得了重要成果，从而使人们认识到同步辐射可作为真空紫外波段和X射线光源。直到1974年，美国斯坦福直线加速器中心的研究小组在SPEAR对撞机上用同步辐射开展物理、化学、生物学方面的研究，使同步辐射的应用得到了迅猛的发展。 1.1 同步辐射的发现 1947年4月16日，在美国纽约州通用电气公司的实验室中正在调试一台新设计的能量为70MeV的电子同步加速器，这台加速器与其他类型的电子加速器的一个重要不同点是它的真空室是透光的，原想这样可方便地观察到真空室里的装置(如电极位置)情况，但竟导致了一个重大发现。就在这一天的调试中一位技工偶然从反射镜中看到了在水泥防护墙内的加速器里有强烈“蓝白色的弧光”。经仔细分析，说明不是气体放电，而是加速运动的电子所产生的辐射，被称为同步辐射。试验指出，这种辐射光的颜色随电子能量的变化而变化。当电子能量降到40MeV时，光的颜色变为黄色;降到30MeV时，变为红色，且光强变弱;降到20MeV时，就看不到光了。同步辐射的发现在当时科学界引起了轰动，不少科学家着手研究这种辐射的性质。但在当时，这种辐射阻碍了加速粒子能量的进一步提高，使科学家感到头痛，直到同步辐射发现后约20年，科学家才逐步认识
建址区域水、电、气、通讯等基础设施齐全。张江园区可供两路互为独立的供电电源， 便于联系与设备的运输；
正常运行。建安工程只需少量装置队伍参与，以保证建安工程满足装置的需求和未来可能的改扩建工作。 作为法人单位的上海应用物理研究所，为支持上海光源建设一支高水平的装置队伍，启动了人才队伍建设计划，并提供了相关的支撑条件，从国内外招聘工程急需的科技人员。其次，通过与国内科研、教育单位密切合作，采用长期借调、短期聘用等项目聘任的方式解决工程急需的科技力量。此外，计划在线站工程、公用设施工程中部分采用合作研制的方式，重点解决工程技术人员的短缺。返聘退休的科技人员，不但发挥了他们丰富的工作经验，而且降低了工程结束后的人员分流压力；建安工程将与上海市密切合作，其中甲方的技术和管理人员将采用大部分从上海市相关部门借调的方式解决；需要大量人力的研制工作将尽量通过合同方式委托社会力量完成。人员费用由院、所共同解决。 工程科技委和顾问组 工程科技委 主任: 方守贤(中科院高能物理研究所) 副主任：冼鼎昌(高能所)、杨福家(复旦大学)、陈森玉(高能所) 成员： 加速器及综合领域—— 方守贤、冼鼎昌、杨福家、陈森玉、钱文藻、何多慧、陈佳洱、魏宝文、林郁正、樊明武、刘国治（西北核技术所）、张维岩（工程物理院） 光学工程领域—— 曹建林、阎永廉、朱健强、赵卫 材料、凝聚态物理、化学、微电子领域—— 白春礼、卢柯、候建国、王恩哥、封松林、包信和、金晓峰、洪茂椿 生物、药物、医学领域—— 陈竺、李家洋、牛立文、饶子和、陈凯先、徐学敏、凌峰 环境、地球科学及工业应用领域—— 陈同斌、许志琴、谢在库 工程总顾问——陈森玉 工程进展 1993年12月，丁大钊等三位院士建议“在我国建设一台第三代同步辐射光源”。 1995年2月，上海市政协八届三次会议期间，谢希德等7位著名科学家联名提出在上海建造第三代同步辐射光源工程的提案，受到了国家计委、国家科技部和上海市委、市政府的高度重视。
学术干货|同步辐射光源和中子衍射在材料研究中的应用 一、什么是同步辐射光源 同步辐射(Synchrotron Radiation)是速度接近光速的带电粒子在磁场中沿 弧形轨道运动时放出的电磁辐射，由于它最初是在同步加速器上观察到的，便又被称为“同步辐射”或“同步加速器辐射”。长期以来，同步辐射是不受高能物理学家欢迎的东西，因为它消耗了加速器的能量，阻碍粒子能量的提高。但是，人们很快便了解到同步辐射是具有从远红同步辐射外到X光范围内的连续光谱、高强度、高度准直、高度极化、特性可精确控制等优异性能的脉冲光源，可以用以开展其它光源无法实现的许多前沿科学技术研究。于是在几乎所有的高能电子加速器上，都建造了“寄生运行”的同步辐 射光束线及各种应用同步光的实验装置。
图1 同步辐射装置示意图 二、同步辐射光源特点 与XRD相比，同步辐射的光强强很多，可以做很精细的扫描，高温或高压条件下同步辐射的优势比常规X光机衍射明显很多。尤其在超高压下，百万大气压，同步辐射的光斑可以聚焦到亚微米级别，直接测量高压下的衍射，如果同时再加高温，那就可以研究高压高温下的融化，这是常规衍射不可企及的。其特点总结如下： 1、高亮度：第三代同步辐射光源的X射线亮度是X光机的上亿倍。 2、宽波段：同步辐射光的波长覆盖面大，具有从远红外、可见光、紫外直到X射线范围内的连续光谱。
3、窄脉冲：同步辐射光是脉冲光，有优良的脉冲时间结构，其宽度在10-11~10-8秒之间可调，脉冲之间的间隔为几十纳秒至微秒量级，如化学反应过程、生命过程、材料结构变化过程和环境污染微观过程等。 4、高准直：同步辐射光的发射集中在以电子运动方向为中心的一个很窄的圆锥内，张角非常小，几乎是平行光束，堪与激光媲美。 5、高纯净：同步辐射光是在超高真空(储存环中的真空度为10-7～10-9帕)或高真空（10-4～10-6帕）的条件中产生的，不存在任何由杂质带来的污染，是非常纯净的光。可精确预知：同步辐射光的光子通量、角分布和能谱等均可精确计算，因此它可以作为辐射计量，特别是真空紫外到X射线波段计量的标准光源。 6、其他特性：高度稳定性、高通量、微束径、准相干等。 三、同步辐射光源在材料研究领域的应用 以下以纳米材料为例，介绍同步辐射在材料研究中的应用 纳米材料由于尺寸小、结构复杂，其单体产生的测量信号往往不足，此外纳米材料往往不像块体材料那样具有良好的长程有序性，所以某些常规实验室用于表征块体材料的手段在表征纳米体系时可能失效。因而同步辐射技术可以在纳米体系的结构和性能表征方面发挥重要作用。 (1) 快速X射线精细谱 同步辐射快速Ｘ射线吸收精细结构（QXAFS）谱学方法具有高时间分辨的特征，不仅具备XAFS在纳米结构研究中的优势，而且由于高时间分辨的特征，极大地扩展了XAFS在纳米结构研究中的应用。利用QXAFS的时