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实验|涨知识｜探索微观世界的眼睛，同步辐射光源如何“发光发亮”

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【实验|涨知识｜探索微观世界的眼睛，同步辐射光源如何“发光发亮”】6月28日上午 ， 由国家发展改革委立项支持、中国科学院高能物理研究所承担建设的高能同步辐射光源首台科研设备安装 。 这标志着这座世界上亮度最高的第四代同步辐射光源正式进入设备安装阶段 。 当天 ， 为这座大光源提供技术研发与测试支撑能力的先进光源技术研发与测试平台同期转入试运行 。
高能同步辐射光源是国家“十三五”重大科技基础设施项目之一 ， 是中国科学院与北京市落实“创新驱动发展”战略 ， 共建怀柔科学城的核心装置 。 该项目于2019年6月29日开工建设 ， 建设周期6.5年 。 建成时 ， 高能同步辐射光源将成为中国第一台高能量同步辐射光源 ， 世界上亮度最高的第四代同步辐射光源之一 ， 为基础科学和工程科学等领域原创性、突破性创新研究提供重要支撑平台 。
什么是同步辐射光源
根据电动力学 ， 带电粒子做变速运动时 ， 就会发出电磁波辐射 ， 现实操作中通过使电子在磁场中做圆周运动 ， 使电子发出圆周运动轨迹的切线方向发出x光波段的光子 ， 就得到了同步辐射光 。
同步辐射光源具备亮度高、光谱宽等优异特性 ， 它是用途最广的X射线源 。
上个世纪四五十年代 ， 随着粒子物理、核物理研究的发展和需要 ， 出现了粒子加速器 ， 为了将带电粒子“存储”起来方便实验 ， 科学家们借助磁场使电子束在存储环中不停地做圆周运动 。 很早之前理论物理学家就已经预测过带电粒子在偏转时能够发出电磁辐射 ， 但很长时间没有观察到 。
在美国通用电气公司的一台同步电子加速器上 ， 人们第一次看到了这种辐射 。 因为工程师们怀疑这个加速器可能里面有短路打火 ， 并且电子加速器都是一些钢制的结构 ， 里面如果有短路打火发出的光是看不见的 ， 于是工程师们特地在机器上装了一个观察窗 ， 结果一装观察窗立刻就看见有光出来 ， 他们以为是出现了短路 ， 结果怎么查也查不到 ， 后来想起来理论物理学家们之前所提到的带电粒子在偏转时能够发出电磁辐射 。
由于这种辐射第一次在同步电子加速器上被观察到 ， 于是被叫做同步电子加速器的辐射 ， 简称同步辐射 。
同为X射线 ， 同步辐射光源和我们在医院中体检时CT所发出的X射线有哪些区别呢？
医用CT这种常规的X射线源 ， 它的原理是利用高电压加速电子 ， 加速后的电子轰击金属靶材（如Cu、Mo、Cr等） ， 产生X射线 ， 它的制取成本低 ， 而且在医学成像上也有非常好的应用 ， 但存在一个问题 ， 就是这种方式获取的X射线分散在各个方向上 ， 而各种实验往往只在一个方向上进行 ， 问题就出现了 ， 这种X射线分散在很大角度范围内 ， 实验所需要的固定方向上它的亮度不够 。
而同步辐射光源不同 ， 它的原理是电子在做圆周运动时沿着圆周运动的切线发出来X射线 ， 同步辐射光源发光的角度范围是非常小的 ， 它的角度有多小？
常规实验室用x光机是180度发光 ， 它的亮度数量级大概是109 ， 而同步辐射光源发光角度只有几个角秒（1度=3600角秒） ， X射线集中在这样小的角度发出来 ， 它的亮度数量级就可以提升到1021 。
“我们在怀柔要建的光源 ， 它的亮度比1021还要高 ， 它已经接近了1023 ， 所以同步辐射它应该是特别的亮 。 第二个是它的范围特别的广 ， 可以从可见光波段一直到非常高能的伽马射线的波段 ， 那么它的波段特别宽就意味着我们可以挑选 ， 因为各种实验可能需要不同波长的光 ， 你可以随意的挑选 ， 那么就给我们的实验带来了很多的便利 。 ”中国科学院高能物理研究所副所长 ， 高能同步辐射光源常务副总董宇辉说 。
电磁辐射根据频率或波长分为不同类型 ， 这些类型包括（波长从大到小）：电力 ， 无线电波 ， 微波 ， 太赫兹辐射（THz） ， 红外辐射 ， 可见光 ， 紫外线 ， X射线和伽玛射线 。 同步辐射光源是目前唯一能够覆盖从THz到伽马射线这样宽频谱范围又能得到高亮度的光源 。
为什么说它好用
“同步辐射光的频谱范围特别的广 ， 也就意味着我们可以挑选各种实验所需要的不同波长的光 ， 那么就给我们的实验带来了很多的便利 ， 特别是那些波长特别短的x光 。 ”董宇辉说 。
董宇辉举了个例子 ， 在1mm厚的铁片后面叠加一块1mm后的铁片 ， 如果拿光子能量为10KeV的X光去做透视 ， 这个X射线就会被一个铁片全部吸收 ， 什么都看不到 。 如果把光子能量提高到十倍 ， 达到100KeV ， 同时X射线的波长会缩短至十分之一 ， 这个时候就可以透过第一块铁片看到第二块铁片的形态 。
“如果说我们要研究一个物体在某种环境中的变化 ， 就需要有个容器来模拟环境 ， 那么你要看到里面的样品 ， 你就需要x光能够穿透容器 ， 照到里面的样品上去 。 就好像我们去医院检查 ， 我们需要透过肌肉看到骨头一样 ， 这时候就需要我们的X光有一个比较高的能量 ， 有比较好的穿透能力 。 ”董宇辉说 。
总的来说 ， 同步辐射光的优点包括：
高偏振：从偏转磁铁引出的同步辐射光在电子轨道平面.上是完全的线偏振光 ， 此外 ， 可以从特殊设计的插入件得到任意偏振状态的光 。
高纯净：同步辐射光是在超高真空中产生的 ， 不存在任何由杂质带来的污染 ， 是非常纯净的光 。
高亮度：同步辐射光源是高强度光源 ， 有很高的辐射功率和功率密度 ， 第三代同步辐射光源的X射线亮度是X光机的上千亿倍 ， 第四代同步辐射光源又比第三代提高100～1000倍 。
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(几十皮秒至几十纳秒)之间可调 ， 脉冲之间的间隔为几十纳秒至微秒量级 ， 这种特性对“变化过程”的研究非常有用 ， 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 。
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 。
此外 ， 同步辐射光还具有高度稳定性、高通量、微束径、准相干等独特而优异的性能 。
具体是用在哪里
同步辐射光源是理想的多学科交叉研究平台 。 在所有与微观结构有关的领域 ， 如物理学、化学、生命科学和医学、材料科学和工程、能源科学和技术、地球和环境科学、纳米科技等 ， 同步辐射光源都有非常广泛的应用 。
中国科学院南京地质古生物研究所研究员陈均远和中国科学院高能物理研究所冼鼎昌院通过合作为整个微体古生物领域开拓了一个新的方向——微体化石的三维无损成像研究 ， 在古生物学领域做出了一系列的重大发现 。
寒武纪大爆发理论一度被认为是对达尔文进化论的严峻挑战 ， 因为古生物学家并未在前寒武纪地层中找到确切的后生动物化石来证明寒武纪大爆发的源头 。
1998年2月 ， 美国《科学》和英国《自然》杂志几乎同时报道了我国贵州晚前寒武纪（新元古代埃迪卡拉纪）瓮安陡山沱组“海绵动物”和“后生动物胚胎”化石的发现 ， 瓮安的动物化石群比寒武纪早4000万年 ， 被认为是20世纪古生物学界又一次伟大发现 。
如果能够判明在瓮安生物群存在的时代两侧对称动物已经出现 ， 就能够进一步判明它们处于什么阶段 ， 对了解早期生命发展是重大进展 。
由于瓮安动物化石以动物卵和胚胎为主 ， 成体化石非常稀少 。 为了判断瓮安动物群存在的时代两侧对称动物是否已经出现 ， 乃至进一步确定它们所处的演化阶段 ， 陈均远经过不懈努力 ， 在瓮安找到了10块大小线度只有0.2mm的“贵州小春虫”两侧对称动物成体化石 。 但这一发现并没有说服所有的学者 。 为寻找更有力的证据 ， 陈均远将目光聚焦到占瓮安化石绝大多数的卵和胚胎上 。
由于这些成体化石每个大小线度只有零点二毫米 ， 冼鼎昌提出了用同步辐射成像方法对古生物化石进行三维无损伤研究的设想：利用同步辐射产生的强度高、穿透性强的X光对化石拍立体照片可以避免传统化石研究方法要么只能观察外表 ， 要么要进行切片的破坏性处理来观察内部的不可恢复性缺陷 。 而且利用独特的相位衬度成像技术 ， 可以提高图像的反差和清晰度 ， 进行高精度三维成像 。
陈均远冼鼎昌合作团队先后在北京和台湾的同步辐射装置上做出聚极叶胚胎的三维成像 ， 最后在欧洲同步辐射装置上得到了理想的图像 。
这不仅为前寒武纪两侧对称动物演化史提供了新的可靠证据 ， 同时也证明了寒武纪之前生物已经进化的足够复杂 ， 只不过由于种种原因 ， 在某些地质年代没有留下很多化石痕迹 ， 有力地支持了达尔文进化论的正确性 。
董宇辉介绍 ， 由于高能短波的X光具备出色的穿透能力 ， 同步辐射光源在工业中有很广泛的应用 。 “同步辐射光源不只能用来做实验室的研究 ， 而是真的要解决工业生产中真正面临的问题 。 ”董宇辉说 。
在高能光源的支持下 ， 大量工业发展相关的研究得以顺利进行：真实工况下物质的结构研究；材料研究（材料基因组、工业部件生产过程中的结构变化、服役过程的结构变化）；工程材料（发动机叶片生长工艺的原位观察和结构分析、结构材料的实时结构变化、焊缝的实时观察等）；催化过程的实时研究……
董宇辉介绍 ， 在新材料研发上 ， 以前的材料研发被称为炒菜式的研发 ， 这种元素多加一点 ， 温度再提高一点 ， 氧气或者氮气再变化一点 ， 就像炒菜中火候变一下 ， 加点盐 ， 加点酱油 ， 但这种盲目尝试的效率是非常低的 ， 借助同步辐射光源 ， 使用高亮度的高通量的同步辐射光进行不断测试可以加快新材料研发的进程 。
“无论是飞机发动机或者其它的各种工件 ， 它们在服役的过程中 ， 什么时候该换 ， 这是个很严肃的事情 ， 飞机发动机什么时候该换 ， 换得太勤就会很贵 ， 换得不勤就容易发生事故 。 ”董宇辉说 ， “所以我们希望看到这些真实的工件 ， 它真正在服役 ， 在工作的时候 ， 它的各种缺陷 。 比如裂纹是怎么产生的 ， 这需要在模拟的环境下面去看它的结构变化 ， 就需要一个很高端的X光来做这个事情 ， 这些工作也不可能拿到国外去做 ， 都牵涉到一些工业创新转型的核心机密 ， 只能靠建设我们自己的同步辐射装置来做这件事情 。 “
怎样建设实现最大效益
同步辐射装置的体积非常巨大 ， 一般实验室里x光机尺寸在一两米左右 ， 而同步辐射装置的周长可以达到几百米甚至是一公里以上 。
一个同步辐射装置的造价高至几亿元 ， 甚至几十亿元 ， 而且每年运行费用达到建设费用的10% ， 同步辐射装置的运行寿命很长 ， 一般为30～50年 ， 巨额的建设运营成本使得同步辐射装置往往只有国家投资才能建设 。
除了高额成本 ， 同步辐射装置的建设的另一个难题是技术复杂 。 牵涉到加速器相关的磁铁、电源、微波、真空、机械、准直等；光束线站相关的X射线光学、探测器、精密机械、微弱信号测量、自动化、海量数据处理等；还有空调、水冷、压缩气体、低温甚至基建的微振动、沉降等各门各类的技术 。 而且又都是最尖端的技术 ， 使得同步辐射装置需要一个庞大的团队 ， 密切合作才可能建成并高效运行 。
“虽然这个东西又贵又复杂 ， 运行起来又花钱 ， 但它的用途实在是太广了 ， 所以到今天 ， 同步辐射装置是世界上运行数目最多的大型装置 。 ”董宇辉说 。
董宇辉介绍 ， 欧美四大同步辐射装置(ESRF、APS、ALS、NSLS) 每年的用户达到2万人 ， 进行的相关实验达1万个 ， 发表文章5千篇 ， 每年在Science、Nature、PRL发表论文超过200篇 ， 对众多用户具有巨大支撑能力 。
目前中国的同步辐射光源包括：位于北京玉泉路园区的第一代光源BSRF ， 位于合肥的第二代光源HLS ， 位于上海的先进第三代光源SSRF；目前北京怀柔在建的高能同步辐射光源（HEPS）是一台第四代的同步辐射光源 。
简单来说同步辐射光源分四代：第一代是寄生在高能物理装置上的兼用装置；第二代是专门设计 ， 用于同步辐射应用的专用光源；第三代是优化低发射度、大量放置插入件的专用光源；第四代则是以行射极限储存环为发展方向的新一代光源 ， 将进一步提高发射度和亮度 ， 并实现光源的相干性 。
董宇辉介绍 ， 由于北京的科研团队集中、科研实力最强 ， 却只有一个第一代光源 ， 目前北京怀柔在建的第四代光源HEPS ， 就是为了满足北京及周边地区强大的科研以及工业创新团队的研究需求 。 建成后HEPS将是世界上亮度最高的同步辐射光源 ， 将为国 ， 家需求、前沿研究提供先进的平台 ， 建设过程也将推动国内多个领域技术水平的发展 。
在建设标准选取上 ， 相比于日本的Spring-8的存储环能量为8GeV ， 美国的APS-U为7GeV ， 北京怀柔在建的HEPS存储环能量为6GeV ， 也是出于最优经济效益的选择 。
董宇辉介绍 ， 更高的能量意味着更宽的光谱范围 ， 常用的波段的亮度也能有所提高 ， 但是它带来另外一个代价 ， 它的运行费变得特别高 。
“问题就变成了我们值不值得花那么多钱去追求那么一丁点的性能提高 。 ”董宇辉说 ， “现在业界比较公认的一种看法 ， 就是说6个GeV是在权衡建设难度、性能、价格之后 ， 非常合适合理的能区 。 美国APS要升级 ， 从7个GeV降到6个GeV ， 日本也准备升级 ， 从8个GeV降到6个GeV 。 ”
HEPS建成后将是世界上亮度最高的同步辐射光源 ， 它将为国家需求、前沿研究提供先进的平台 ， 建设过程也将推动国内多个领域技术水平的发展 。
“在建设这个光源的过程中 ， 提升我们国家在精密机械、光学探测器等技术领域的设计和制造能力 ， 这都是我们国家的卡脖子的地方 。 我们需要用项目来带动我们国家这些高精尖技术的实质性提高 。 ”董宇辉说 。
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