科学网—用一束光探索微观世界
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2024-12-13 22:41
| 个人分类: 科学评论 | 系统分类: 科普集锦
2024年，位于北京的高能同步辐射光源 （HEPS） 建设进展顺利。8月18日，HEPS储存环流强达到12毫安，标志着HEPS加速器进入了调束快行道。11月22日，HEPS储存环及长光束线站单体顺利通过验收，设施安装工作全部完成，进入竣工阶段。 高能同步辐射光源 是亚洲的第一个第四代同步辐射光源，将能够产生世界上亮度最高的x射线光束，帮助科学家们照亮微观世界的奥秘。
究竟什么是同步辐射光源呢？同步辐射光源经历了哪四代的发展？我国建设的第四代同步辐射光源又有什么独到之处呢？
我们先问一个简单的问题：人类如何在黑暗世界里看见物体？答案是点亮一束光，照到物体上，然后物体反射的光进入到人眼中。这个过程涉及三个要素：光源、被观测物体和我们人眼探测器。我们之所以能够对物体的大小、形状、颜色等做出判断，主要就是因为它们反射前后的光存在波长、方向和强弱的变化，对应着光的能量、动量和通量三个物理量。光的能量决定了它的波长，相当于这把“尺子”的最小刻度。光的动量大小与能量相关，动量方向即出入射方向，它们一起决定了光与物质相互作用的具体方式。而光的通量则决定了是否能看的足够清楚，因为只有发射出去的光子足够多，反射进入人眼的光子达到一定程度才能引起我们视觉神经的响应。
虽然可见光的波长大约限制在 380 到 780 nm 之间，但随着现代科技的进步，光的产生和探测都达到了极其精密的程度，波长和能量覆盖几乎覆盖了整个电磁波谱，取决于需要探测什么就采用什么类型的光。所以最关键的问题，就是如何提高光的亮度，让我们有机会洞悉更加细微的物质结构和微观过程。举例来说， X 射线的波长在 0.01 nm 到 10 nm 范围，原子的尺度大约在 0.1 nm 左右，所以高亮度 X 射线就是微观世界最合适的“探照灯”之一。
在 1947 年左右，科学家们在研究电子同步加速器时发现一种亮度极高的电磁辐射——被称为“同步辐射”。这是因为接近光速运动的电子由于速度方向的改变，会在切线方向不断辐射出电磁波，频段覆盖波长红外、可见光、紫外和 X 射线波段。同步辐射的光具有波长连续可调、脉冲时间分辨、多种偏振方式和极小的发散角等优势，加上亮度是传统光源的上万倍以上，是绝佳的高效率、高分辨、多功能的探测媒介。
第一代同步辐射光源始于 1956 年美国康奈尔大学的粒子加速器，属于粒子物理和核物理研究的“副产品”，但科学家很快就发现同步辐射的研究设施供不应求。于是有了第二代专门做为光源的同步辐射装置，其中储存环和加速器都为了优化光的状态而做了专门设计，首台二代光源装置始于 英国达斯伯里实验室，电子加速能量达到了 2 GeV 。第三代同步辐射光源的加速器部分加入了更多磁场插入件，其发射性能更高、光源亮度更强。到了第四代同步辐射光源，则是极低发射度的储存环光源，而且在束线设计中充分考虑了 X 射线的相干性，具有更加优异的亮度和相干性。
同步辐射光源起初主要用深紫外探测原子 / 分子光谱和表面过程，后来波长逐步扩展到 X 射线波段，用于探测材料内部原子结构、化学成分、化学价态乃至微观动力学过程。所利用的光的波长也越来越短，包括从 0.1 nm 到 10 nm 的软 X 射线和从 0.01 nm 到 0.1 nm 的硬 X 射线，所以现行的同步辐射光源也大致有软 X 射线和硬 X 射线两大类。目前，世界上有 50 多台同步辐射光源运行在 23 个国家和地区。典型的有欧洲同步辐射装置 ESRF 、美国先进光源 APS 、日本超级光子环 SPring-8 、英国钻石光源 Diamond 、瑞典的 MAX IV 光源、巴西的天狼星同步光源等等。
我国的同步辐射光源从 1984 年的北京同步辐射装置 BSRF ，到后来的合肥同步辐射光源 HLS 、上海光源 SSRF 等，也经历了从第一代到第三代光源的发展历程。位于北京怀柔的高能同步辐射光源 HEPS 是我国乃至亚洲的首个第四代同步辐射光源，其加速周长达到了 1.36 公里，电子能量高达 6 GeV ，外观就是一个放大镜的形状，寓意“探索微观世界的利器”。 HEPS 主要覆盖的是硬 X 射线波段，也就是高能量的电磁波，大约 300 keV （千电子伏特），具备纳米量级空间分辨、皮秒量级时间分辨、毫电子伏量级能量分辨能力，相比于第三代光源（例如首个第三代高能光源 ESRF ），其时间分辨率将是 10000 倍以上，亮度是 100 倍以上，性能指标位居世界最前列。
紧随HEPS其后，我国的第二个第四代光源——合肥先进光源 HALF 也于 2023 年 9 月 20 日动工，合肥先进光源将是合肥光源的升级版，它的外形酷似一个超大号的“眼睛”，加速周长为 480 米，电子能量为 2.2GeV ，主要覆盖是软 X 射线、深紫外和高相干红外波段，对应的最佳 X 射线能量为 1 keV （千电子伏特）。从能量或波长尺度上来看， HEPS 和 HALF 的功能是互为补充的，前者更加侧重于研究材料的精细结构和超快动力学过程，后者则更侧重于研究物质的化学变化、 X 射线吸收和较慢动力学过程等。将来，我国还计划建设南方光源等更多的同步辐射装置，覆盖不同类型的光源。
由于同步辐射产生于电子环形加速器的切线方向，因此围绕加速环一圈可以引出几十甚至上百条光束线，对应调节出不同类型的光，用于各类科学研究，这就叫做“束线站”。束线站可以利用光的衍射研究物质的微观结构，利用光的透射和吸收研究物质内部的元素组成和分布，利用光的非弹性散射研究微观动力学过程等等。例如，目前世界上约 70% 的已知生物大分子结构，包括蛋白质、 DNA 、 RNA 、核糖体、病毒等，都是借助同步辐射装置来测定的。
随着我国同步辐射光源的不断发展和用户群体的逐步扩大，我们对微观世界的认知必定将更加深入！
【作者注】本文视频刊载于科普中国，此为文字稿全文。
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