你看这些“UFO”，它们又大又圆，不如我们..._风闻

原创：中科院物理所

相传，在世界各地，坐落着这样一个一个的“UFO”。它们不光拥有着神秘的外形，而且能让电子在磁场的魔力下转圈圈。它们能窥探物质内部的各种“魑魅魍魉”，让各种“妖魔鬼怪”无所遁形。江湖人称“火眼金睛”！

我们先来一睹一下世界上比较有名的几个同步辐射中心。

美国布鲁克海文国家光源中心

美国先进光源

英国钻石光源

欧洲同步辐射中心

日本SPring8同步辐射中心

啥，这咋长得都像UFO一样？莫着急，且听咱们下面娓娓道来。

X射线简介

鉴于这些大家伙与X射线有关，所以咱们就先解释一下啥是X射线。顾名思义就是无名之光，因为当初发现它的时候，伦琴也不知道这是什么东西啊，但发现它可以显示人体的骨骼结构，故而名之以X射线。

第一张X射线图像：伦琴夫人的手骨及戒指

本质上，它属于广泛的电磁辐射家族成员之一，只是它的波长非常短，与蛋白质分子，原子等大小相当。波长短意味着频率高，而频率高意味着它携带的光子能量比较大（请自行脑补荣获诺贝尔奖的波粒二象性），以致于能够破坏分子间化学键。对人体而言，过量的接触X射线会致使体内的蛋白质结构遭受一定的破坏，因而有害健康。当然啦，医院里使用的X光机拍片都是在对人体安全范围内操作的，要相信咱们的医护以及科研人员所做的努力。

既然有害于健康，为啥还要发展这无名之光？实际上，X射线除了能帮助医护人员提前诊断我们体内的一些病症，它在工业，医药以及科研前沿等其他领域也在无时无刻不造福着我们。比如借助于其在材料内部穿透深度比较大的特性，人们利用X射线检测所生产金属器件的内部完整性；通过研究医药大分子的结构，科研人们能够研发出更具有针对性的药品。所以为了充分利用X射线的优势，自从其被发现以来，人们一直想方设法地得到品质优良的X射线。

X射线的两种产生方式

阴极管

目前比较常见的产生X射线装置有两种：一种是用高能电子轰击金属，电子在打进金属的过程中急剧减速，按照大名鼎鼎的麦克斯韦方程，减速的带电粒子会辐射电磁波，如果电子能量很大，比如上万电子伏，就可以产生X射线，这是目前实验室和工厂，医院等地方用的产生X射线的方法，该方法产生的X射线能量比较单一，同时亮度也一般比较弱；另外一种就是咱们今天的主角——同步辐射X射线装置。

  快速转动雨伞

类似于雨中快速转动雨伞，沿伞边缘的切线方向就会飞出一簇簇水珠。上个世纪初，人们预言真空中接近光速运动的电子在磁场中作曲线运动时，由于洛伦兹力所施加的向心加速度的存在，电子也会沿着弯转轨道切线方向发射连续的电磁辐射；随后在1947年，美国通用电气公司的一名工人在调试70兆电子伏(MeV)的电子同步加速器时意外观察到了这种电磁辐射。

磁场偏转电子辐射

由弯铁磁场偏转电子运动方向产生X射线的方式被称为第一代同步辐射，为了进一步提升同步辐射产生的X射线特性，人们在弯转磁铁之间的直线段插入产生周期性磁场部件(称为插入件)，当电子束通过插入件时会被磁场往复、周期性地偏转方向，在近似正弦曲线的扭摆偏转中发出更多的同步辐射光，最后相互叠加出亮度更高的X射线。根据插入件的周期以及数目，这种方式又可分为扭摆磁铁和波荡器两种模式，其中扭摆磁铁产生的X射线发散角度比较宽同时能量范围也比较广，而波荡器由于致密周期性磁场的存在使得前后产生的X射线相干叠加，因而其发散角度非常小同时强度更亮。

插入件原理示意图

插入件实物图

​同步辐射X射线装置

同步辐射示意图

依据上述磁铁偏转电子引发电磁辐射的方式，人们建立了现代大型同步辐射X射线中心，即：一开始电子在直线加速器中加速到MeV量级，随后进入圆形加速器中迅速提升至接近光速，之后高速的电子进入外围储存环中，最后这些电子在通过特制的插入件以释放出一定的X射线。这也就是为什么上面显示的不同地方的同步辐射都是UFO形的。为了最大化该装置的利用，人们在储存环的不同部位通过插入不同的磁铁环境以获得不同特性的X射线，进而服务于不同的实验对象。

北京同步辐射中心实验线站

同步辐射X射线优点

1. 强度高，亮度大

由于多次叠加效应以及可控的电子束流密度，这种大型设备产生的X射线强度比医院或者工厂所用X光机要强上亿倍。

2. 光子能量范围宽

通过调节偏转磁铁之间的相对位置，X射线的能量可以从远红外区连续变化至硬X射线区域，能量跨度4个数量级。作为参考，咱们人眼可分辨的光谱范围连一个数量级都不到。

3. 其他特点

这些X射线一般还具有比较好的准直性、偏振性以及脉冲时间结构等等。

所有这些优点使得同步辐射作为一个大型科研平台能够同时服务于不同的学科，不同的领域。比如，人们在该装置上可以得到材料的晶体结构，亦或是构成人体遗传物质的DNA双螺旋结构以及人体细胞内的离子传输酶三维结构等；利用X射线的脉冲特性，人们甚至可以观测一些动态过程，如生物领域的DNA复制过程和化学领域的光催化电子转移方式等等。

X射线显示晶体结构

X射线晶体结构图案

我国同步辐射及相关研究成果

到目前为止，世界上大约有47个这样的科研装置运行在23个国家和地区。上个世纪80年代，在一代伟人邓小平同志的推动下，我国在北京建立了正负电子对撞机并兼用为第一代同步辐射中心，随后紧跟世界发展，我国又陆续修建了合肥第二代同步辐射光源，上海第三代光源以及台湾新竹的同步辐射中心。

上海第三代同步辐射光源

依靠国内这些先进光源设施，我国科学家如今也已取得了举世瞩目的科研成果。这其中，作为铁杆用户，物理所当然也不负众望。比如通过研究X射线谱的价位变化，来自清洁能源实验室的人们理清了光催化和锂离子电池中的电子转移情况，为我国未来能源应用方面打下了坚实基础；在基础科研方面，极端实验室的科研人员利用上海第三代同步辐射产生的优良X射线首次发现了材料内部的一些“幽灵”粒子，如外尔费米子等等，使得我国在这个领域占据了一定的战略制高点。

外尔费米子的发现（图片来自物理所极端实验室7组）

为了顺应时代发展同时保持我国在该领域的领先地位，在《国家重大科技基础设施建设“十三五”规划》中，作为优先布局的大科学工程项目之一，坐落于北京怀柔的新一代高能同步辐射光源项目日前已通过国家验收。鉴于该光源各项关键性能指标远高于目前正在运行的第三代同步辐射光源，其也被称为“第四代同步辐射光源”。未来，该光源提供的高亮度、高通量、高准直度、精确可控、能量连续可调的X射线将为生命、材料、能源、环境等多种尖端科学研究提供高水平的研究平台，而作为支撑单位的物理所也必将再接再厉，做出更多原创性的世界级科研成果。

北京高能同步辐射光源概念图

同步辐射应用

关于X射线的小问题

1. X射线对身体有害吗？

作为电磁辐射中的一员，高能量的X射线属于电离辐射，即有能力破坏人体的一些组织结构，因而尽量少接触或者避免暴露于 X射线中。作为对比，手机和电脑等电子设备发射的电磁辐射能量比较低，属于非电离辐射，并且目前尚没有科学研究发现其对人体组织有影响。

2. 生活中有哪些场景会接触X射线

在日常生活中，人们接触X射线一般是在医院拍胸片或者CT扫描。由于X射线辐射对人体的危害有一定的阈值，即超过该值，X射线就对身体产生一定的不良影响。但在医院的这些设备都被严格控制在阈值以下，因而不必过于担心类似的体检。

3. 可否参观同步辐射实验装置？

为了增加公众对同步辐射的认识，几乎所有的同步辐射每年都会有几次公众开放日，具体信息可直接去其官网上查阅，并提前做好申请准备。

4. 去同步辐射参观是否担心X射线辐射？

在同步辐射设施中，人们一般利用一定厚度的铅墙来隔离并吸收储存中环释放的X射线，所以在有科研人员工作的实验线站附近，X射线辐射已远远低于人体的阈值。另外，现代的大型同步辐射中心都建立了非常完善的X射线防护措施，在同步辐射里面的电磁辐射甚至比外面自然环境中的还要低，所以按照工作人员的引导来参观同步辐射完全不必担心辐射问题。

参考资料：

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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