同步輻射 synchrotron 放射線 ，相對論性帶電粒子在電磁場的作用下沿彎轉(zhuǎn)軌道行進時所發(fā)出的電磁輻射。至今同步輻射裝置的建造及在其上的研究、應(yīng)用，經(jīng)歷了三代的發(fā)展。
概述
高能粒子特別是高能電子，在磁場中作回旋運動時，沿切線方向發(fā)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(jù)電動力學(xué)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(jì)40年代，人們觀察到電子在電子同步加速器中作回旋運動時發(fā)出輻射的現(xiàn)象。由于當(dāng)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，所以沒有什么實際用途。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，并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(yīng)用價值的新型光源。
1961年美國國家標(biāo)準(zhǔn)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，并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。隨后，意大利、德國、蘇聯(lián)和瑞典等國也相繼開展了同步輻射的應(yīng)用研究。
裝置分類
產(chǎn)生同步輻射的設(shè)備有兩種：①對于高能物理實驗來講，能量過低的“退役”的加速器；②專門用于產(chǎn)生同步輻射的電子加速器或電子儲存環(huán)，電子儲存環(huán)是一種較長時間（從幾小時到幾十小時）儲存并積累高能量電子，以便實現(xiàn)對撞的環(huán)形裝置，又稱為光子工廠。
特性
與一般光源相比，同步輻射光源有如下特點：①光譜連續(xù)且范圍寬，由于同步輻射是非束縛態(tài)電子的輻射，所以它的光譜是連續(xù)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，在真空紫外和軟X射線波段，能提供比常規(guī) X射線管強度高103～106倍的光源，相當(dāng)于幾平方毫米面積上有100千瓦的能量。③高度偏振，同步輻射在電子軌道平面內(nèi)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，水平偏振占75％。④具有脈沖時間結(jié)構(gòu)，同步輻射是一種脈沖光，脈沖寬度為0.1～1納秒，脈沖間隔為微秒量級（單束團工作）或幾納秒到幾百納秒范圍內(nèi)可調(diào)（多束團工作）。⑤高度準(zhǔn)直，能量大于10億電子伏的電子儲存環(huán)的輻射光錐張角小于1毫弧度,接近平行光束，小于普通激光束的發(fā)射角。⑥潔凈的高真空環(huán)境，由于同步輻射是在超高真空(儲存環(huán)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(chǎn)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(zhǔn)確計算，其強度、角分布和能量分布都可以精確計算。
應(yīng)用
同步輻射在基礎(chǔ)科學(xué)、應(yīng)用科學(xué)和工藝學(xué)等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用：①近代生物學(xué)，例如測定蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)，通過X射線小角散射可研究蛋白質(zhì)生理活動過程和神經(jīng)作用過程等的動態(tài)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(xué)，可用于研究固體的電子狀態(tài)、固體的結(jié)構(gòu)、激發(fā)態(tài)壽命及晶體的生長和固體的損壞等動態(tài)過程。③表面物理學(xué)和表面化學(xué)，可用于研究固體的表面性質(zhì)，如半導(dǎo)體和金屬表面的光特性；物質(zhì)的氧化、催化、腐蝕等過程的表面電子結(jié)構(gòu)和變化。④結(jié)構(gòu)化學(xué)，可用于測定原子的配位結(jié)構(gòu)、大分子之間的化學(xué)鍵參數(shù)等，如對催化劑、金屬酶的結(jié)構(gòu)測定。⑤醫(yī)學(xué)，可用于腫瘤的診斷和治療，如測定血液內(nèi)一些元素的含量、血管造影、診斷人體內(nèi)各種腫瘤和進行微型手術(shù)以除去人體特殊部位的一些異常分子等。⑥光刻技術(shù)，由于衍射效應(yīng)，普遍采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，用于光刻時其線寬可降至20埃，使分辨率提高幾個數(shù)量級；這對計算機、自動控制和光通信技術(shù)等意義重大。
光源的發(fā)展
第一代
是在世界各國為高能物理研究建造的儲存環(huán)和加速器上“寄生地”運行的。很快地，不僅物理學(xué)家，而且化學(xué)家、生物學(xué)家、冶金學(xué)家、材料科學(xué)家、醫(yī)學(xué)家和幾 所有科的基礎(chǔ)研究及應(yīng)用研究的專家，都從這個新出現(xiàn)的光源看到巨大的機會。然而， 在對儲存環(huán)性能的要求上，同步輻射的用戶與高能物理學(xué)家的觀點是矛盾的，表現(xiàn)在主要是 由電子束的發(fā)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(yīng)用而設(shè)計的第二代同步光源。發(fā)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(xué)技術(shù)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(huán)的發(fā)射度一般為10nm.rad量級 ，并籍有有助于大量的插入件(波蕩器和扭擺器)，產(chǎn)生準(zhǔn)相干的同步輻射光，這不但使光譜的耀度再提高了幾個數(shù)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(yīng)用從過去靜態(tài)的、在較大范圍內(nèi)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(xué)科和廣泛的技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)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。我國臺灣省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。
參考資料 >