你看這些“UFO”，它們又大又圓，不如我們..._風聞

原創：中科院物理所

相傳，在世界各地，坐落着這樣一個一個的“UFO”。它們不光擁有着神秘的外形，而且能讓電子在磁場的魔力下轉圈圈。它們能窺探物質內部的各種“魑魅魍魎”，讓各種“妖魔鬼怪”無所遁形。江湖人稱“火眼金睛”！

我們先來一睹一下世界上比較有名的幾個同步輻射中心。

美國布魯克海文國家光源中心

美國先進光源

英國鑽石光源

歐洲同步輻射中心

日本SPring8同步輻射中心

啥，這咋長得都像UFO一樣？莫着急，且聽咱們下面娓娓道來。

X射線簡介

鑑於這些大傢伙與X射線有關，所以咱們就先解釋一下啥是X射線。顧名思義就是無名之光，因為當初發現它的時候，倫琴也不知道這是什麼東西啊，但發現它可以顯示人體的骨骼結構，故而名之以X射線。

第一張X射線圖像：倫琴夫人的手骨及戒指

本質上，它屬於廣泛的電磁輻射家族成員之一，只是它的波長非常短，與蛋白質分子，原子等大小相當。波長短意味着頻率高，而頻率高意味着它攜帶的光子能量比較大（請自行腦補榮獲諾貝爾獎的波粒二象性），以致於能夠破壞分子間化學鍵。對人體而言，過量的接觸X射線會致使體內的蛋白質結構遭受一定的破壞，因而有害健康。當然啦，醫院裏使用的X光機拍片都是在對人體安全範圍內操作的，要相信咱們的醫護以及科研人員所做的努力。

既然有害於健康，為啥還要發展這無名之光？實際上，X射線除了能幫助醫護人員提前診斷我們體內的一些病症，它在工業，醫藥以及科研前沿等其他領域也在無時無刻不造福着我們。比如藉助於其在材料內部穿透深度比較大的特性，人們利用X射線檢測所生產金屬器件的內部完整性；通過研究醫藥大分子的結構，科研人們能夠研發出更具有針對性的藥品。所以為了充分利用X射線的優勢，自從其被發現以來，人們一直想方設法地得到品質優良的X射線。

X射線的兩種產生方式

陰極管

目前比較常見的產生X射線裝置有兩種：一種是用高能電子轟擊金屬，電子在打進金屬的過程中急劇減速，按照大名鼎鼎的麥克斯韋方程，減速的帶電粒子會輻射電磁波，如果電子能量很大，比如上萬電子伏，就可以產生X射線，這是目前實驗室和工廠，醫院等地方用的產生X射線的方法，該方法產生的X射線能量比較單一，同時亮度也一般比較弱；另外一種就是咱們今天的主角——同步輻射X射線裝置。

  快速轉動雨傘

類似於雨中快速轉動雨傘，沿傘邊緣的切線方向就會飛出一簇簇水珠。上個世紀初，人們預言真空中接近光速運動的電子在磁場中作曲線運動時，由於洛倫茲力所施加的向心加速度的存在，電子也會沿着彎轉軌道切線方向發射連續的電磁輻射；隨後在1947年，美國通用電氣公司的一名工人在調試70兆電子伏(MeV)的電子同步加速器時意外觀察到了這種電磁輻射。

磁場偏轉電子輻射

由彎鐵磁場偏轉電子運動方向產生X射線的方式被稱為第一代同步輻射，為了進一步提升同步輻射產生的X射線特性，人們在彎轉磁鐵之間的直線段插入產生週期性磁場部件(稱為插入件)，當電子束通過插入件時會被磁場往復、週期性地偏轉方向，在近似正弦曲線的扭擺偏轉中發出更多的同步輻射光，最後相互疊加出亮度更高的X射線。根據插入件的週期以及數目，這種方式又可分為扭擺磁鐵和波盪器兩種模式，其中扭擺磁鐵產生的X射線發散角度比較寬同時能量範圍也比較廣，而波盪器由於緻密週期性磁場的存在使得前後產生的X射線相干疊加，因而其發散角度非常小同時強度更亮。

插入件原理示意圖

插入件實物圖

​同步輻射X射線裝置

同步輻射示意圖

依據上述磁鐵偏轉電子引發電磁輻射的方式，人們建立了現代大型同步輻射X射線中心，即：一開始電子在直線加速器中加速到MeV量級，隨後進入圓形加速器中迅速提升至接近光速，之後高速的電子進入外圍儲存環中，最後這些電子在通過特製的插入件以釋放出一定的X射線。這也就是為什麼上面顯示的不同地方的同步輻射都是UFO形的。為了最大化該裝置的利用，人們在儲存環的不同部位通過插入不同的磁鐵環境以獲得不同特性的X射線，進而服務於不同的實驗對象。

北京同步輻射中心實驗線站

同步輻射X射線優點

1. 強度高，亮度大

由於多次疊加效應以及可控的電子束流密度，這種大型設備產生的X射線強度比醫院或者工廠所用X光機要強上億倍。

2. 光子能量範圍寬

通過調節偏轉磁鐵之間的相對位置，X射線的能量可以從遠紅外區連續變化至硬X射線區域，能量跨度4個數量級。作為參考，咱們人眼可分辨的光譜範圍連一個數量級都不到。

3. 其他特點

這些X射線一般還具有比較好的準直性、偏振性以及脈衝時間結構等等。

所有這些優點使得同步輻射作為一個大型科研平台能夠同時服務於不同的學科，不同的領域。比如，人們在該裝置上可以得到材料的晶體結構，亦或是構成人體遺傳物質的DNA雙螺旋結構以及人體細胞內的離子傳輸酶三維結構等；利用X射線的脈衝特性，人們甚至可以觀測一些動態過程，如生物領域的DNA複製過程和化學領域的光催化電子轉移方式等等。

X射線顯示晶體結構

X射線晶體結構圖案

我國同步輻射及相關研究成果

到目前為止，世界上大約有47個這樣的科研裝置運行在23個國家和地區。上個世紀80年代，在一代偉人鄧小平同志的推動下，我國在北京建立了正負電子對撞機併兼用為第一代同步輻射中心，隨後緊跟世界發展，我國又陸續修建了合肥第二代同步輻射光源，上海第三代光源以及台灣新竹的同步輻射中心。

上海第三代同步輻射光源

依靠國內這些先進光源設施，我國科學家如今也已取得了舉世矚目的科研成果。這其中，作為鐵桿用户，物理所當然也不負眾望。比如通過研究X射線譜的價位變化，來自清潔能源實驗室的人們理清了光催化和鋰離子電池中的電子轉移情況，為我國未來能源應用方面打下了堅實基礎；在基礎科研方面，極端實驗室的科研人員利用上海第三代同步輻射產生的優良X射線首次發現了材料內部的一些“幽靈”粒子，如外爾費米子等等，使得我國在這個領域佔據了一定的戰略制高點。

外爾費米子的發現（圖片來自物理所極端實驗室7組）

為了順應時代發展同時保持我國在該領域的領先地位，在《國家重大科技基礎設施建設“十三五”規劃》中，作為優先佈局的大科學工程項目之一，坐落於北京懷柔的新一代高能同步輻射光源項目日前已通過國家驗收。鑑於該光源各項關鍵性能指標遠高於目前正在運行的第三代同步輻射光源，其也被稱為“第四代同步輻射光源”。未來，該光源提供的高亮度、高通量、高準直度、精確可控、能量連續可調的X射線將為生命、材料、能源、環境等多種尖端科學研究提供高水平的研究平台，而作為支撐單位的物理所也必將再接再厲，做出更多原創性的世界級科研成果。

北京高能同步輻射光源概念圖

同步輻射應用

關於X射線的小問題

1. X射線對身體有害嗎？

作為電磁輻射中的一員，高能量的X射線屬於電離輻射，即有能力破壞人體的一些組織結構，因而儘量少接觸或者避免暴露於 X射線中。作為對比，手機和電腦等電子設備發射的電磁輻射能量比較低，屬於非電離輻射，並且目前尚沒有科學研究發現其對人體組織有影響。

2. 生活中有哪些場景會接觸X射線

在日常生活中，人們接觸X射線一般是在醫院拍胸片或者CT掃描。由於X射線輻射對人體的危害有一定的閾值，即超過該值，X射線就對身體產生一定的不良影響。但在醫院的這些設備都被嚴格控制在閾值以下，因而不必過於擔心類似的體檢。

3. 可否參觀同步輻射實驗裝置？

為了增加公眾對同步輻射的認識，幾乎所有的同步輻射每年都會有幾次公眾開放日，具體信息可直接去其官網上查閲，並提前做好申請準備。

4. 去同步輻射參觀是否擔心X射線輻射？

在同步輻射設施中，人們一般利用一定厚度的鉛牆來隔離並吸收儲存中環釋放的X射線，所以在有科研人員工作的實驗線站附近，X射線輻射已遠遠低於人體的閾值。另外，現代的大型同步輻射中心都建立了非常完善的X射線防護措施，在同步輻射裏面的電磁輻射甚至比外面自然環境中的還要低，所以按照工作人員的引導來參觀同步輻射完全不必擔心輻射問題。

參考資料：

1.JamesClarke. The Science and Technology of Undulator and Wiggler.  Oxford Science Publications

2.http://www.ihep.cas.cn/kxcb/kpcg/bsrf/201406/t20140620_4140384.html

3.http://www.ihep.cas.cn/kxcb/kpcg/bsrf/201005/t20100505_2837165.html

4.http://www.ihep.cas.cn/kxcb/kpcg/bsrf/200907/t20090723_2160284.html

5.http://www.ihep.cas.cn/xwdt/cmsm/2019/201902/t20190201_5239309.html

6.https://www.zhihu.com/question/35648969

7.http://www.iop.cas.cn/xwzx/kydt/201507/t20150720_4395729.html

8.https://dxy.com/column/4160

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