同步辐射？这么高冷的名字，是做什么的？

如果哪一天你突发奇想，想在原子或分子水平上了解物质的结构和变化，你会选择什么工具？科学家肯定会向你首推同步辐射，因为科学家就是用它看清病毒的结构、分析古代文物的成分，甚至观察材料内部的原子排列。

什么是同步辐射？

同步辐射，但从名字来看，似乎并不明白它是做什么的。其实，它其实是一种由高速运动的带电粒子在电磁场作用下沿偏转轨道切线方向发出的电磁辐射。

你可以把这个过程想象成，当电子以接近光速飞驰，突然被磁铁拽着拐弯，它就会甩出一束非常亮、能量很高的光。这个现象就像是在雨中快速转动雨伞，沿伞边缘的切线方向会飞出一簇簇水珠一样。

同步辐射的名字起源于1947年的一个偶然发现。那一年，在美国纽约州斯克内克塔迪的一家实验室里，人们在调试新建成的70 MeV电子同步加速器时，首次看到一种强烈的蓝白色弧光。经分析，发现这是加速运动的电子所产生的光辐射，从此，这种辐射便被称为“同步加速器辐射”（Synchrotron Radiation），在中国被简称为“同步辐射”。

通用电气公司实验调试新建成的70 MeV电子同步加速器时，首次发现了同步辐射

（图片来源：参考文献[3]）

同步辐射从哪儿来？

你知道吗？同步辐射不仅仅存在于实验室里，自然界中也有同步辐射！如高速电子绕着黑洞或中子星旋转时，也会发出同步辐射，天文学家靠它来研究这些神秘天体，如科学家在蟹状星云中就发现了同步辐射。

由NASA的詹姆斯韦伯太空望远镜的NIRCam（近红外相机）和MIRI（中红外仪器）拍摄的蟹状星云新细节。其中同步辐射用白色表示

（图片来源：NASA, ESA, CSA, STScI, T. Temim (Princeton University)）

自1947年发现同步辐射后，目前，世界上已建成的同步辐射装置有60多个，正在建设和设计的有近10个。第一代同步辐射研究始于20世纪60年代至70年代初。但这些装置并非专为同步辐射研究而建，而是在高能物理实验期间以共生方式产生，主要共生于大型正负电子对撞机，如北京正负电子对撞机国家实验室（BEPC）的同步辐射装置（BSRF）。但由于同步辐射与高能物理实验需求不一致，第一代同步辐射光的性能和应用非常受限。

到了70年代中期，专门用于产生同步辐射光的设施开始建造。这些早期同步辐射装置主要依靠弯转磁铁产生同步辐射，被称为第二代光源，如合肥国家同步辐射实验装置。也正是在这一时期，人们开始使用扭摆器的强磁场装置来增强辐射。此后，通过优化置于直线段中的磁结构（如扭摆器和波荡器），建造了性能更优越的新一代同步辐射光源，即第三代光源，如位于法国格勒诺布尔的欧洲同步辐射装置、中国台湾同步辐射研究中心以及上海光源等等。第四代同步辐射光源（衍射极限光源）通过新型加速器结构实现极低发射度，并在束线设计中强化X射线相干性，大幅提升了光源的亮度和相干性。

当前，世界各国纷纷投资建设第四代同步辐射光源，如已建成的瑞典的MAX-IV、巴西的Sirius、欧洲的ESRF-EBS，以及在建的美国APS-U、北京怀柔高能同步辐射光源（HEPS）和合肥先进光源（HALF）等等。

结语

同步辐射虽然名字高冷，但它其实是现代科学的超级显微镜和超级摄像机。它让我们得以窥见肉眼无法看到的微观世界，推动着医学、能源、信息技术、材料、化学、地质等多个领域的发展和进步。例如，疫情期间，科学家就是利用上海同步辐射快速解析了新冠病毒关键蛋白的结构，为疫苗和药物设计提供了关键信息。

其实近几十年，有五届诺贝尔化学奖获得者，他们的研究成果都直接用到了同步辐射光源。下次当你听说某项重大科学突破时，说不定背后就有同步辐射的一份功劳呢！

参考文献：

[1] Wiedemann, H. (2007). Overview of Synchrotron Radiation. In: Particle Accelerator Physics. Springer, Berlin, Heidelberg.

[2] Balerna, A., Mobilio, S. (2015). Introduction to Synchrotron Radiation. In: Mobilio, S., Boscherini, F., Meneghini, C. (eds) Synchrotron Radiation. Springer, Berlin, Heidelberg.

[3] The discovery of synchrotron radiation Herbert C. Pollock Author & Article Information, Am. J. Phys.1983，51, 278-280

出品：科普中国

作者：杨超（深圳理工大学科普主管、中国科普作家协会会员）

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