同步輻射光源

同步輻射光源是指產生同步輻射的物理裝置。第一代同步輻射光源是寄生於高能物理實驗專用的高能對撞機的兼用機，第二代同步輻射光源是基於同步輻射專用儲存環的專用機，第三代同步輻射光源為性能更高且儲存環之直線段可加裝插件磁鐵組件之同步輻射專用儲存環的專用機，現在正在研究的自由電子激光器則為新一代的高強度光源設施。

人類文明史是利用和開發光資源的歷史

人類生存和發展從來就離不開對“光”的利用和開發，人類的文明史是一部利用和開發“光資源”的歷史。“光”是一個很大的家族，其中“可見光”只是“光家族”中的一員。光可依其波長不同，分為無線電波、微波、紅外、可見光、紫外、真空紫外、軟X射線、硬X射線和伽馬(γ)射線等。

光的波長或能量決定了它與物質的相互作用類型，如“可見光”照射人體時，會被反射到我們的眼睛，並被視網膜/視神經所感覺而“看到”人體；而當X射線光照射人體時，則會穿透過人體，並在X光底片上留下透過程度的影像紀錄，醫院裡給病人做X光透視就是這樣。

光波具有衍射現象，用光探測物體或分辨兩物體時，光的波長應當與物體的大小或兩物體的間距相近或更短。因此，天文學家要探測宇宙星球，可以選用無線電波；航空管理者要跟蹤飛機，可以選用微波(雷達)。而科學家要研究比“可見光”波長更短的物體，要“看清”病毒、蛋白質分子甚至金屬原子等微觀物體，必須選用與這些微觀物體大小相近或更短的波長的光束，來照射微觀物體，利用光束在物質中的衍射、折射、散射等能夠檢測到的特性，或者利用光束與物體相互作用產生的光激發、光吸收、熒光、光電子發射等特性，來探究未知的微觀世界。

新人工光源帶來人類文明的新進步

光是由光源產生的，如太陽、蠟燭和電燈。其中太陽是天然光源，蠟燭和電燈是人工光源。由於可利用的天然光源所產生的光僅占整個光家族的很小部分，所以人類一直在努力開發和利用各種各樣的人工光源。任何一種新人工光源的發明和利用，都標誌著人類文明新的進步，如倫琴發明?X射線、愛迪生髮明的電燈、二次大戰中發明的微波、20世紀60年代發明的激光等，都是人工光源發展史上的重大里程碑，它們都極大地促進了人類文明的進步。20世紀60年代末出現的同步輻射光源，是被譽為“神奇的光”的又一種人工光源，它在基礎科學研究和高技術產業開發應用研究中都有廣泛的用途。

同步輻射光源的發展歷史

電磁場理論早就預言：在真空中以光速運動的相對論帶電粒子在二極磁場作用下偏轉時，會沿著偏轉軌道切線方向發射連續譜的電磁波。1947年人類在電子同步加速器上首次觀測到這種電磁波，並稱其為同步輻射，後來又稱為同步輻射光，並稱產生和利用同步輻射光的科學裝置為同步輻射光源或裝置。

30多年來，同步輻射光源已經歷了三代的發展，它的主體是一台電子儲存環。第一代同步輻射光源的電子儲存環是為高能物理實驗而設計的，只是“寄生”地利用從偏轉磁鐵引出的同步輻射光，故又稱“兼用光源”；第二代同步輻射光源的電子儲存環則是專門為使用同步輻射光而設計的，主要從偏轉磁鐵引出同步輻射光；第三代同步輻射光源的電子儲存環對電子束髮射度和大量使用插入件進行了優化設計，使電子束髮射度比第二代小得多，因此同步輻射光的亮度大大提高，並且從波盪器等插入件可引出高亮度、部分相干的准單色光。第三代同步輻射光源根據其光子能量覆蓋區和電子儲存環中電子束能量的不同，又可進一步細分為高能光源、中能光源和低能光源。憑藉優良的光品質和不可替代的作用，第三代同步輻射光源已成為當今眾多學科基礎研究和高技術開發應用研究的最佳光源。

同步輻射光的特性

寬波段：同步輻射光的波長覆蓋面大，具有從遠紅外、可見光、紫外直到X射線範圍內的連續光譜，並且能根據使用者的需要獲得特定波長的光。

高准直：同步輻射光的發射集中在以電子運動方向為中心的一個很窄的圓錐內，張角非常小，幾乎是平行光束，堪與激光媲美。

高偏振：從偏轉磁鐵引出的同步輻射光在電子軌道平面上是完全的線偏振光，此外，可以從特殊設計的插入件得到任意偏振狀態的光。

高純凈：同步輻射光是在超高真空中產生的，不存在任何由雜質帶來的污染，是非常純凈的光。

高亮度：同步輻射光源是高強度光源，有很高的輻射功率和功率密度，第三代同步輻射光源的X射線亮度是X光機的上千億倍。

窄脈衝：同步輻射光是脈衝光，有優良的脈衝時間結構，其寬度在10-11~10-8秒(幾十皮秒至幾十納秒)之間可調，脈衝之間的間隔為幾十納秒至微秒量級，這種特性對“變化過程”的研究非常有用，如化學反應過程、生命過程、材料結構變化過程和環境污染微觀過程等。

可精確預知：同步輻射光的光子通量、角分佈和能譜等均可精確計算，因此它可以作為輻射計量———特別是真空紫外到X射線波段計量———的標準光源。

此外，同步輻射光還具有高度穩定性、高通量、微束徑、准相干等獨特而優異的性能。

先進的第三代同步輻射光源

上海同步輻射裝置(Shanghai Synchrotron Radiation Facility，簡稱SSRF)，是一台世界先進的中能第三代同步輻射光源，總投資計劃12億人民幣。上海同步輻射裝置的電子儲存環電子束能量為3.5GeV(35億電子伏特)，僅次於世界上僅有的三台高能光源(美、日、歐各一台)，居世界第四，超過其它所有的中能光源；X射線的亮度和通量被優化在用戶最多的區域。

上海同步輻射裝置是國家級大科學裝置和多學科的實驗平台，由全能量注入器、電子儲存環、光束線和實驗站組成。全能量注入器提供電子束並使其加速到所需能量，電子儲存環儲存電子束並提供同步輻射光，光束線對引出的同步輻射光進行傳輸、加工，提供給實驗站上的用戶使用。

(一)提供電子束的全能量注入器

全能量注入器包括電子直線加速器、增強器和注入/引出系統，其作用是向電子儲存環提供所需的電子束。電子槍產生的能量為10萬電子伏特的電子束，先被約40米長的電子直線加速器加速到3億電子伏特能量，然後被注入到周長約158米的增強器中，由增強器繼續加速到35億電子伏特，再經過注入/引出系統注入到電子儲存環。這種把電子束加速到了電子儲存環運行能量的注入器叫全能量注入器。整個注入過程必須通過一套專門設計的時序控制系統來“精確指揮”。

(二)產生同步輻射光的電子儲存環

電子儲存環是一個周長為396米的閉合環形高科技裝置，相當於一個學校400米環形跑道的操場，用來儲存35億電子伏特高能電子束。電子儲存環是同步輻射光源的主體與核心，其性能直接決定了同步輻射光源性能的優劣。它由真空度為10-9乇的超高真空室、高精度磁鐵系統、高頻加速腔、高靈敏的束流探測儀器和控制系統等組成。高精度磁鐵系統是儲存環的主要部件，包括40台二極偏轉磁鐵、200台四極聚焦磁鐵和140台六極色品磁鐵。根萆杓埔螅廡┐盤刺囟ㄋ承蜓鞀放帕校緯梢桓齔?0周期的消色散磁聚焦結構，每周期含有一段7米或5米長的直線段。為保證向用戶提供在空間位置上高度穩定的同步輻射光，電子束軌道的穩定需要被控制在微米量級。

(三)光束線———“橋樑”

光束線沿著電子儲存環的外側分佈，它是用戶實驗站與電子儲存環之間的“橋樑”，對從電子儲存環引出的同步輻射光，按用戶要求進行再加工，如分光、准直、聚焦等，並輸送到用戶實驗站。它包括安裝在真空管道內的一系列精密光學系統，涉及的主要光學元件有準直狹縫、聚焦鏡、單色儀(光柵或晶體)和反射鏡等，這些特殊的現代光學器件對材料、工藝、精度、控制和冷卻等都有十分苛刻的要求。此外它還有快速真空閥和輻射防護閘以實施真空和輻射安全的連鎖保護。(四)探索自然奧秘的實驗站

實驗站是科學家和工程師利用同步輻射光揭開科學秘密、開發高新技術產品的綜合科技平台。在這裡同步輻射光被“照射”到各種各樣的實驗樣品上，同時科學儀器紀錄下實驗樣品的各種反應信息或變化，經高速計算機處理后變成一系列反映自然奧秘的曲線或圖像。

上海同步輻射裝置（上海光源）已落戶張江高科技園區

1999年7月上海同步輻射裝置工程領導小組審議並批准上海同步輻射裝置落戶上海浦東新區的張江高科技園區，佔地300畝。地鐵2號線將它與陸家嘴金融貿易區、市中心南京路步行街等直接相連，行程15~20分鐘。由此，上海可望在21世紀成為全國乃至世界的多學科前沿研究中心。

國家科技領導小組已於1997年6月批准上海同步輻射裝置先進行工程預製研究，以掌握建設上海同步輻射裝置的關鍵技術，形成骨幹科技隊伍。

上海同步輻射裝置於2004年初批准正式開工建設，並正式命名為上海同步輻射光源，簡稱上海光源，預計2009年4月將正式建成。

上海同步輻射光源的特性

上海同步輻射光源除了具有第三代同步輻射光源共同的特性之外，還具有：(1)高效性：總共將建設近50條光束線和上百個實驗站，所有這些實驗站都是為準確探測同步輻射光與實驗樣品的各種相互作用而精心設計的。首批擬建的7條光束線、實驗站和4個後備實驗站已於1999年底通過了國內外的專家評審，它們是：硬X射線生物大分子晶體學、硬X射線吸收精細結構(X AFS)、硬X射線高分辨衍射與散射、硬X射線微聚焦及應用、醫學應用、軟X射線相干顯微學、L IGA及光刻，以及紅外等後備實驗站。今後，上海同步輻射光源將陸續向廣大用戶提供掃描光電子能譜、掃描透射X射線顯微、X射線熒光顯微、X射線非彈性散射等實驗站。向用戶的供光機時將超過5000小時/年，每天可容納幾百名來自海內外不同學科領域或公司企業的科學家/工程師，日以繼夜地在各自的實驗站上同時使用同步輻射光。(2)靈活性：上海同步輻射光源可運行於單束團、多束團、高通量、高亮度和窄脈衝等多種模式，可依據用戶需求快速變換運行模式，以滿足用戶的多種需求。(3)前瞻性：上海同步輻射光源的科學壽命至少30年，電子直線加速器同時用於發展深紫外區高增益自由電子激光。

廣闊的應用前景

利用上海同步輻射光源的高亮度、短波長的同步輻射光在空間分辨上的優勢，將可以進行許多前沿學科的探索。生物學家依託同步輻射光，能獲得生物大分子的三維結構，進而研究其結構與功能之間的關係；而通過對病毒外殼蛋白、癌症基因及其表達物等病原三維結構的詳細了解，有望設計出能與該病原特異結合的藥物小分子，以阻斷病原對細胞的感染，或抑制其致病的功能，這就是基於分子結構的藥物設計新概念。材料科學家利用同步輻射光，可以清楚地揭示出材料中原子的精確構造和有價值的電磁結構參數等信息，它們既是理解材料性能的“鑰匙”，也是設計新穎材料的原理來源，所以材料科學家和他們所服務的企業成了第三代同步輻射光源的大用戶。

利用上海同步輻射光源的高亮度、窄脈衝的同步輻射光在時間分辨上的優勢，將可以實現在分子水平上直接觀察生命現象和物質運動過程。對於生命科學來說，靜態地了解生物大分子或生物體的結構只是第一層次的研究，生物大分子或生物體結構變化的實時觀察則是更高層次的研究。上海同步輻射光源為這一類動態過程的研究開啟了大門，預計在不遠的將來，人們將有可能像看電影那樣直接觀察生物大分子之間相互作用的精細過程，生命科學的研究將進入一個嶄新的天地。對於材料科學來說，上海同步輻射光源將可以使我國材料科學家獲得發生在原子水平的材料形成過程的動態圖像，這些過程包括生長機制、相變過程、固態作用、裂縫擴散、高分子聚合物硬變、交界面過程和其他與時間相關的過程，它們是發明優秀新材料不可或缺的“源頭信息”。而對於作為同步輻射光源的基本用戶的化學科學來說，上海同步輻射光源將是我國化學科學躋身世界前列的必不可少的現代工具，將使我國化學科學家可以直接觀測小至1立方微米的化學樣品在化學反應期間原子的重新排列和位置，跟蹤發生在快於10-9秒(十億分之一秒)的化學過程，在最基礎的水平上掌握形成新化學產品的整個過程。

利用上海同步輻射光源的高亮度、能量可選的同步輻射光，將大大提高對生命體內結構與形態的觀察精度。通過同步輻射X光顯微成像和斷層掃描成像技術能夠直接獲取活細胞結構圖像。基於上海同步輻射光源強度高、能量可選的X射線，發展起來的“雙色減影心血管造影”新技術，可以為心血管病的早期診斷提供安全、快速、高清晰的診斷方法。最近，利用第三代同步輻射X光源射線橫向相干性好的特性，發展了X射線相位反襯成像技術，能夠清晰地拍攝出吸收反襯很弱的軟組織如血管、神經等的照片，有望發展出不需要造影劑的“心血管造影術”。

利用上海同步輻射光源在空間分辨、時間分辨上的優勢，將大大促進和加快我國的蛋白質結構基因組學研究。在過去的十多年裡，基因測序是生物學的熱門話題，目前，人類基因組測序已完成，但這只是生命科學進入新時代的開端。因為要從根本上掌握生命現象基本規律，必須了解基因載體———蛋白質分子的三維結構，破解其結構與功能的關係。測定蛋白質分子三維結構的最有效的手段是X射線蛋白質晶體衍射。由於蛋白質晶體體積小(幾十個微米)，且分子數目少，要求所用的X射線光具有高亮度。如用X光機束測一套蛋白質晶體衍射數據的話，需要幾十個小時；用二代光源，需要幾十分鐘；用第三代光源則只要幾秒鐘。另外，同步光源還具有短脈衝(小於100皮秒)時間結構，為實時觀測生物分子結構動態變化過程提供了可能性，將把生命科學研究帶入一個嶄新的時代。

同步輻射光源已經成為材料科學、生命科學、環境科學、物理學、化學、醫藥學、地質學等學科領域的基礎和應用研究的一種最先進的、不可替代的工具，並且在電子工業、醫藥工業、石油工業、化學工業、生物工程和微細加工工業等方面具有重要而廣泛的應用。上海同步輻射光源將成為我國迎接知識經濟時代、創立國家知識創新體系的必不可少的國家級大科學裝置。