同步辐射光源

编辑本词条由“科普中国”科学百科词条编写与应用工作项目 审核 。同步辐射光源是指产生同步辐射的物理装置,它是一种利用相对论性电子(或正电子)在磁场中偏转时产生同步辐射的高性能新型强光源。电子同步加速器的出现,特别是电子储存环的发展,推动了同步辐射的广泛应用。同步辐射的早期研究是在电子同步加速器上进行的,有人把它称为第零代光源。据中国科学院消息,在“十三五”期间,中国将在北京建设一台高性能的高能同步辐射光源,也称为“北京光源”,其设计亮度及相干度均高于世界现有、在建或计划中的光源。未来这一新光源系统装置建成后,将满足中国重大战略需求,并对众多基础科学的研究发挥关键支撑作用。 [1]中文名同步辐射光源外文名Synchrotron radiation light source类    型高性能新型强光源也    称第零代光源联    系物理装置

目录

  1. 概述
  2. 人类文明史是利用和开发光资源的历史
  3. 新人工光源带来人类文明的新进步
  1. 发展历史
  2. 同步辐射光的特性
  3. 先进的第三代同步辐射光源
  4. ▪ 提供电子束的全能量注入器
  1. ▪ 产生同步辐射光的电子储存环
  2. ▪ 光束线桥梁
  3. ▪ 探索自然奥秘的实验站
  4. 国内发展
  5. ▪ 上海
  6. ▪ 北京
  1. 光源特性
  2. 广阔的应用前景

概述

编辑同步辐射光源是指产生同步辐射的物理装置。第一代同步辐射光源是寄生于高能物理实验专用的高能对撞机的兼用机,第二代同步辐射光源是基于同步辐射专用储存环的专用机,第三代同步辐射光源为性能更高且储存环之直线段可加装插件磁铁组件之同步辐射专用储存环的专用机,现在正在研究的自由电子激光器则为新一代的高强度光源设施 [2] 。

人类文明史是利用和开发光资源的历史

编辑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、红外线、可见光、紫外线、真空紫外线、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 [2] 。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 [1] 。

新人工光源带来人类文明的新进步

编辑光是由光源产生的,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 [1] 。

发展历史

编辑电磁场理论早就预言:在真空中以接近光速运动的具有相对论效应的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 [3] 。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 [2] 。

同步辐射光的特性

编辑(1)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 [2] 。(2)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。(3)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[3] 。(4)高纯净与高亮度高纯净: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。(5)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。(6)可精确预知同步辐射光的光子通量、角分布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 [2] 。

先进的第三代同步辐射光源

编辑上海同步辐射装置上海同步辐射装置(Shanghai Synchrotron Radiation Facility,简称 SSRF),是一台世界先进的中能第三代同步辐射光源,总投资计划12亿人民币。上海同步辐射装置的电子储存环电子束能量为3.5GeV(35亿电子伏特),仅次于世界上仅有的三台高能光源(美、日、欧各一台),居世界第四,超过其它所有的中能光源; X射线的亮度和通量被优化在用户最多的区域 [2] 。上海同步辐射装置是国家级大科学装置和多学科的实验平台,由全能量注入器、电子储存环、光束线和实验站组成。全能量注入器提供电子束并使其加速到所需能量,电子储存环储存电子束并提供同步辐射光,光束线对引出的同步辐射光进行传输、加工,提供给实验站上的用户使用 [2] 。

提供电子束的全能量注入器

电子直线加速器全能量注入器包括电子直线加速器增强器和注入/引出系统,其作用是向电子储存环提供所需的电子束。电子枪产生的能量为10万电子伏特的电子束,先被约40米长的电子直线加速器加速到1.5亿电子伏特能量,然后被注入到周长约180米的增强器中,由增强器继续加速到35亿电子伏特,再经过注入/引出系统注入到电子储存环。这种把电子束加速到了电子储存环运行能量的注入器叫全能量注入器。整个注入过程必须通过一套专门设计的时序控制系统来“精确指挥” [4] 。

产生同步辐射光的电子储存环

电子储存环电子储存环是一个周长为432米的闭合环形高科技装置,相当于一个学校400米环形跑道的操场,用来储存35亿电子伏特高能电子束。电子储存环是同步辐射光源的主体与核心,其性能直接决定了同步辐射光源性能的优劣。它由真空度为10-10乇的超高真空室、高精度磁铁系统、高频加速腔、高灵敏的束流探测仪器和控制系统等组成。高精度磁铁系统是储存环的主要部件,包括40台二极偏转磁铁、200台四极聚焦磁铁和140台六极色品磁铁 [3] 。根据设计要求,这些磁铁按特定顺序沿环排列,形成一个呈20周期的消色散磁聚焦结构,每周期含有一段7米或5米长的直线段。为保证向用户提供在空间位置上高度稳定的同步辐射光,电子束轨道的稳定需要被控制在微米量级 [4] 。

光束线桥梁

光束线沿着电子储存环的外侧分布,它是用户实验站与电子储存环之间的“桥梁”,对从电子储存环引出的同步辐射光,按用户要求进行再加工,如分光准直聚焦等,并输送到用户实验站。它包括安装在真空管道内的一系列精密光学系统,涉及的主要光学元件有准直狭缝、聚焦镜单色仪光栅晶体)和反射镜等,这些特殊的现代光学器件对材料、工艺、精度、控制和冷却等都有十分苛刻的要求。此外它还有快速真空阀和辐射防护闸以实施真空辐射安全的连锁保护。 [4]

探索自然奥秘的实验站

实验站是科学家和工程师利用同步辐射光揭开科学秘密、开发高新技术产品的综合科技平台。在这里同步辐射光被“照射”到各种各样的实验样品上,同时科学仪器纪录下实验样品的各种反应信息或变化,经高速计算机处理后变成一系列反映自然奥秘的曲线或图像 [3] 。

国内发展

编辑

上海

同步辐射装置(上海光源)已落户张江高科技园区。1999年7月上海同步辐射装置工程领导小组审议并批准上海同步辐射装置落户上海浦东新区的张江高科技园区,占地300亩。国家科技领导小组已于1997年6月批准上海同步辐射装置先进行工程预制研究,以掌握建设上海同步辐射装置的关键技术,形成骨干科技队伍。上海同步辐射装置于2004年初批准正式开工建设,并正式命名为上海同步辐射光源,简称上海光源,2009年4月正式建成[1] 。

北京

据中国科学院消息,在“十三五”期间,中国将在北京建设一台高性能的高能同步辐射光源,也称为“北京光源”,其设计亮度及相干度均高于世界现有、在建或计划中的光源。未来这一新光源系统装置建成后,将满足中国重大战略需求,并对众多基础科学的研究发挥关键支撑作用。为了进一步提高中国国家安全和工业核心创新能力,“北京光源”为代表的“第四代同步辐射光源”的建设计划被提上议事日程。它的各项关键性能指标将远高于第三代同步辐射光源。比先前的同步辐射光源更小,具有更高亮度。中科院高能物理研究所研究员董宇辉:根据目前的设计方案,它建成以后将比美国已经刚刚建成的NSLS-II要亮70倍,比瑞典刚刚建成还没有投入运行的MAXIV要亮10倍。中国新一代高能同步辐射光源项目“北京光源”的建设已列入国家发改委发布的国家重大科技基础设施建设“十三五”规划,它也是中科院与北京市共建怀柔科学城的核心。“北京光源”项目预计2018年11月份开工,工期历时约6年,计划耗资48亿元。 [1]2019年2月,第四代光源高能同步辐射光源的预研验证装置在北京通过国家验收。表明将在北京怀柔科学城建设的高能同步辐射光源在技术上和装备制造能力上都是可行的。 [5]

光源特性

编辑上海同步辐射光源除了具有第三代同步辐射光源共同的特性之外,还具有:⑴高效性总共将建设近50条光束线和上百个实验站,所有这些实验站都是为准确探测同步辐射光与实验样品的各种相互作用而精心设计的。首批拟建的7条光束线、实验站和4个后备实验站已于1999年底通过了国内外的专家评审,它们是:硬 X射线生物大分子晶体学、硬 X射线吸收精细结构(X AFS)、硬 X射线高分辨衍射与散射、硬 X射线微聚焦及应用、医学应用、软 X射线相干显微学、 L IGA及光刻,以及红外等后备实验站。今后,上海同步辐射光源将陆续向广大用户提供扫描光电子能谱、扫描透射 X射线显微、 X射线荧光显微、 X射线非弹性散射等实验站。向用户的供光机时将超过5000小时/年,每天可容纳几百名来自海内外不同学科领域或公司企业的科学家/工程师,日以继夜地在各自的实验站上同时使用同步辐射光 [1] 。⑵灵活性上海同步辐射光源可运行于单束团、多束团、高通量、高亮度和窄脉冲等多种模式,可依据用户需求快速变换运行模式,以满足用户的多种需求。⑶前瞻性上海同步辐射光源的科学寿命至少30年,电子直线加速器同时用于发展深紫外区高增益自由电子激光 [1] 。

广阔的应用前景

编辑生物大分子利用上海同步辐射光源的高亮度、短波长的同步辐射光在空间分辨上的优势,将可以进行许多前沿学科的探索。生物学家依托同步辐射光,能获得生物大分子的三维结构,进而研究其结构与功能之间的关系;而通过对病毒外壳蛋白、癌症基因及其表达物等病原三维结构的详细了解,有望设计出能与该病原特异结合的药物小分子,以阻断病原对细胞的感染,或抑制其致病的功能,这就是基于分子结构的药物设计新概念。材料科学家利用同步辐射光,可以清楚地揭示出材料中原子的精确构造和有价值的电磁结构参数等信息,它们既是理解材料性能的“钥匙”,也是设计新颖材料的原理来源,所以材料科学家和他们所服务的企业成了第三代同步辐射光源的大用户 [6] 。利用上海同步辐射光源的高亮度、窄脉冲的同步辐射光在时间分辨上的优势,将可以实现在分子水平上直接观察生命现象物质运动过程。对于生命科学来说,静态地了解生物大分子或生物体的结构只是第一层次的研究,生物大分子或生物体结构变化的实时观察则是更高层次的研究。上海同步辐射光源为这一类动态过程的研究开启了大门,预计在不远的将来,人们将有可能像看电影那样直接观察生物大分子之间相互作用的精细过程,生命科学的研究将进入一个崭新的天地 [6] 。对于材料科学来说,上海同步辐射光源将可以使中国材料科学家获得发生在原子水平的材料形成过程的动态图像,这些过程包括生长机制、相变过程、固态作用、裂缝扩散高分子聚合物硬变、交界面过程和其他与时间相关的过程,它们是发明优秀新材料不可或缺的“源头信息”。而对于作为同步辐射光源的基本用户的化学科学来说,上海同步辐射光源将是中国化学科学跻身世界前列的必不可少的现代工具,将使中国化学科学家可以直接观测小至1立方微米的化学样品在化学反应期间原子的重新排列和位置,跟踪发生在快于10-9秒(十亿分之一秒)的化学过程,在最基础的水平上掌握形成新化学产品的整个过程 [4] 。利用上海同步辐射光源的高亮度、能量可选的同步辐射光,将大大提高对生命体内结构与形态的观察精度。通过同步辐射 X光显微成像和断层扫描成像技术能够直接获取活细胞结构图像。基于上海同步辐射光源强度高、能量可选的 X射线,发展起来的“双色减影心血管造影”新技术,可以为心血管病的早期诊断提供安全、快速、高清晰的诊断方法 [6] 。最近,利用第三代同步辐射 X光源射线横向相干性好的特性,发展了 X射线相位反衬成像技术,能够清晰地拍摄出吸收反衬很弱的软组织如血管、神经等的照片,有望发展出不需要造影剂的“心血管造影术”。利用上海同步辐射光源在空间分辨、时间分辨上的优势,将大大促进和加快中国的蛋白质结构基因组学研究。在过去的十多年里,基因测序是生物学的热门话题,目前,人类基因组测序已完成,但这只是生命科学进入新时代的开端。因为要从根本上掌握生命现象基本规律,必须了解基因载体———蛋白质分子的三维结构,破解其结构与功能的关系。测定蛋白质分子三维结构的最有效的手段是 X射线蛋白质晶体衍射。由于蛋白质晶体体积小(几十个微米),且分子数目少,要求所用的 X射线光具有高亮度。如用 X光机束测一套蛋白质晶体衍射数据的话,需要几十个小时;用二代光源,需要几十分钟;用第三代光源则只要几秒钟。另外,同步光源还具有短脉冲(小于100皮秒)时间结构,为实时观测生物分子结构动态变化过程提供了可能性,将把生命科学研究带入一个崭新的时代 [4] 。同步辐射光源已经成为材料科学生命科学环境科学物理学化学医药学地质学等学科领域的基础和应用研究的一种最先进的、不可替代的工具,并且在电子工业、医药工业、石油工业化学工业生物工程和微细加工工业等方面具有重要而广泛的应用。上海同步辐射光源将成为中国迎接知识经济时代、创立国家知识创新体系的必不可少的国家级大科学装置 [2] 。

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