同步輻射

高能粒子特別是高能電子，在磁場中作迴旋運動時，沿切線方向發出的一種光輻射，又稱同步加速器輻射。同步輻射是一種用途廣泛的強光源。（見輻射）

根據電動力學理論，帶電粒子加速動時，會以電磁波的形式輻射能量。20世紀40年代，人們觀察到電子在電子同步加速器中作迴旋運動時發出輻射的現象。由於當時加速器的能量很低，釋放出來的同步輻射的能量和強度也都比較低，所以沒有什麼實際用途。隨著電子同步加速器能量的提高，這種輻射也就增強。在電子同步加速器中，同步輻射強度與電子能量的四次方成正比，並與加速器半徑的平方成反比。顯然，同步輻射對進一步提高這種類型的加速器的能量是一個不利因素。然而這種不利因素卻為人們提供了一種具有重要應用價值的新型光源。

1961年美國國家標準局改造了它的 1.8億電子伏的電子同步加速器作同步輻射用，並成功地用同步輻射研究了氣體的吸收光譜，從而在國際上引起使用同步輻射的興趣。隨後，義大利、聯邦德國、蘇聯和瑞典等國也相繼開展了同步輻射的應用研究。

產生同步輻射的設備有兩種：①對於高能物理實驗來講，能量過低的“退役”的加速器；②專門用於產生同步輻射的電子加速器或電子儲存環，電子儲存環是一種較長時間（從幾小時到幾十小時）儲存並積累高能量電子，以便實現對撞的環形裝置，又稱為光子工廠。

與一般光源相比，同步輻射光源有如下特點：①光譜連續且範圍寬，由於同步輻射是非束縛態電子的輻射，所以它的光譜是連續的，從遠紅外、可見光、紫外直到硬X射線（104～10-1埃)。②輻射強度高，在真空紫外和X射線波段，能提供比常規 X射線管強度高103～106倍的光源，相當於幾平方毫米面積上有100千瓦的能能量能量。③高度偏振，同步輻射在電子軌道平面內是完全偏振的光，偏振度達 100％；在軌道平面上下是橢圓偏振；在全部輻射中，水平偏振佔75％。④具有脈衝時間結構，同步輻射是一種脈衝光，脈衝寬度為0.1～1納秒，脈衝間隔為微秒量級（單束團工作）或幾納秒到幾百納秒範圍內可調（多束團工作）。⑤高度准直，能量大於10億電子伏的電子儲存環的輻射光錐張角小於1毫弧度,接近平行光束，小於普通激光束的發射角。⑥潔凈的高真空環境，由於同步輻射是在超高真空(儲存環中的真空度為10-7～10-9帕)或高真空（10-4～10-6帕）的條件下產生的，不存在普通光源中的電極濺射等干擾，是非常潔凈的光源。⑦波譜可準確計算，其強度、角分佈和能量分佈都可以精確計算。

同步輻射在基礎科學、應用科學和工藝學等領域已得到廣泛應用：①近代生物學，例如測定蛋白質的結構和蛋白質的分子結構，通過X射線小角散射可研究蛋白質生理活動過程和神經作用過程等的動態變化，通過 X射線熒光分析可測定生物樣品中原子的種類和含量，靈敏度可達10-9克／克。②固體物理學，可用於研究固體的電子狀態、固體的結構、激發態壽命及晶體的生長和固體的損壞等動態過程。③表面物理學和表面化學，可用於研究固體的表面性質，如半導體和金屬表面的光特性；物質的氧化、催化、腐蝕等過程的表面電子結構和變化。④結構化學，可用於測定原子的配位結構、大分子之間的化學鍵參數等，如對催化劑、金屬酶的結構測定。⑤醫學，可用於腫瘤的診斷和治療，如測定血液內一些元素的含量、血管造影、診斷人體內各種腫瘤和進行微型手術以除去人體特殊部位的一些異常分子等。⑥光刻技術，由於衍射效應，普遍採用的紫外線光刻的最小線寬約2微米，而同步輻射光近似平行光束，用於光刻時其線寬可降至20埃，使解析度提高几個數量級；這對計算機、自動控制和光通信技術等意義重大。

第一代

是在世界各國為高能物理研究建造的儲存環和加速器上“寄生地”運行的。很快地，不僅物理學家，而且化學家、生物學家、冶金學家、材料科學家、醫學家和幾 所有科的基礎研究及應用研究的專家，都從這個新出現的光源看到巨大的機會。然而， 在對儲存環性能的要求上，同步輻射的用戶與高能物理學家的觀點是矛盾的，表現在主要是 由電子束的發射度所決定的同步輻射的亮度上。它使同步輻射的用戶們要求建造專門為同步 輻射的應用而設計的第二代同步光源。發射度由第一代裝置的幾百nm.rad降低到第二代同步光源的50－150nm.rad。

第二代

第二代同步輻射裝置對科學技術研究的巨大推動，促使世界各國政府支持建造新一代具有更 高亮度的第三代同步輻射光源。第三代同步輻射光源的儲存環的發射度一般為10nm.rad量級 ，並籍有有助於大量的插入件(波盪器和扭擺器)，產生准相干的同步輻射光，這不但使光譜的耀度再提高了幾個數量級，而且可以靈活地選擇光子的能量和偏振性。

第三代

亮度比最亮的第二代光源至少高100倍，比通常實驗室用得得得的X光源要亮一億倍以上。它使得同步輻射應用從過去靜態的、在較大範圍內平均的手段擴展為空間分辨的和時間分辨的手段，這就為眾多的學科和廣泛的技術應用領域帶來前所未有的新機遇。日本的SPring-8是目前世界上能量最高的同步輻射光源，達到8GeV。我國台灣的國家同步輻射中心所擁有的大型粒子加速器及同步輻射裝置是亞洲第一座第三代同步輻射光源。