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 applicationsSHEN 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, 19932 倪光炯等.改变世界的物理学.上海:复旦大学出版社,19993 章志鸣等.光学.北京:高等教育出版社,2000(2000-11-20收稿)。
