同步辐射其实压根没“同步”！一个因历史原因得名的科学重器

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一个放大镜，一个鹦鹉螺，一只大眼睛，这些是什么？

左：北京高能同步辐射光源（HEPS）中：上海同步辐射光源（SSRF）右：合肥先进光源（HALF）

（图片来源：中国科学院高能物理研究所、上海同步辐射光源、中国科学技术大学）

答案是，这些都是同步辐射光源。顺便说一句，最近我刚刚去参观了合肥先进光源（Hefei Advanced Light Facility，简称HALF），看到了李政道先生的题字以及全景的俯视图。我惊讶地发现，它不仅是像一只眼睛，而且更像一个全宇宙最神奇的图案：太极图。

合肥先进光源的俯视图和李政道先生的题字

（图片来源：中国科学技术大学国家同步辐射实验室）

近年来，很多人都听说了同步辐射（synchrotron radiation），听说了国家在建设多个同步辐射装置。但首先的问题就是，同步辐射是什么意思？
同步辐射是什么意思？

最基本的理解是，同步辐射是一种光源。对此，一个形象的比喻是“下雨天转伞”。当你旋转雨伞的时候，水滴就会从四面八方被甩出去。它们的方向是什么呢？是伞的切线方向，即垂直于半径方向，因为这就是水滴的惯性运动速度方向。
同步辐射也是这样。让电子在一个环中做圆周运动，就会有光从切线方向发出来，好比雨伞甩出的水滴。当然这只是个比喻，对此更准确的解释是，圆周运动是一种变速运动（因为速度是个矢量，既有大小也有方向，改变方向就是变速），带电粒子做变速运动就会损失能量，发出电磁辐射。
为什么叫“同步”辐射？与什么同步？

了解同步辐射是一种光源之后，很容易想到的问题是：为什么它叫做“同步”辐射？究竟是什么跟什么同步？
答案是，这其实是个历史原因，因为同步辐射最初是在同步加速器（synchrotron）上发现的，而同步辐射本身并没有什么同步可言。想要理解同步加速器是什么，就需要明白它和直线加速器（linear accelerator）、回旋加速器（cyclotron）的联系和区别。
简而言之，在直线加速器中，粒子走的是一条直线；在回旋加速器中，粒子走的是一条螺旋线；在同步加速器中，粒子走的是一个闭合轨道，由弧线段和直线段组成。为了让粒子在闭合轨道运动时始终受到加速而不是减速，就需要让粒子的旋转频率与加速电场的频率保持同步，这就是同步加速器名称的由来。
同步加速器能够把粒子加到很高的速度，但不能从0速度开始加速。也就是说，必须有别的加速器给它提供初始能量。因此，同步辐射装置其实都包括两个加速器。首先是一个直线加速器把电子从静止加速到具有一定能量，然后把电子注入到一个同步加速器，让它在环形运动中发出同步辐射。前一个加速器叫做注入器（injector），后一个加速器叫做储存环（storage ring）。同步辐射装置的大部分技术含量，就在储存环上。
中国第一个专用的同步辐射光源是1989年建成的合肥光源（Hefei Light Source），位于中国科学技术大学西区的国家同步辐射实验室。1992年，我刚到科大上学的时候，就很奇怪为什么人们常常把它简称为“加速器”。现在大家明白了吧？做同步辐射的和做加速器的，其实就是同一个学术群体。
刚才我们说，合肥光源是中国第一个专用的同步辐射光源。为什么要说“专用”呢？因为最早的同步辐射装置其实是兼用的，即它的本职工作是粒子加速器，用来做粒子物理实验，只是用一部分时间（例如一年中的三个月）来作为光源，顺便检修。同一时间建成的北京正负电子对撞机（BEPC），就是我国第一台兼用的同步辐射光源。合肥光源和北京正负电子对撞机，正代表了我国大科学装置筚路蓝缕的历史。
同步辐射有什么用？与其他光源有何区别？

了解同步辐射的原理后，下一个问题是：它有什么用？
其实最简单的回答，上面已经给出来了：它是一个光源。不过，更深入的问题自然就是：它跟其他光源有什么区别？
答案是，同步辐射是连续谱，即可以产生一个频段内所有频率的光。当我们需要某个频率的光做某个任务时，就可以通过单色器把这个频率的光提取出来。因此，同步辐射的应用范围非常广阔，可以探测物质结构、反应机理、晶体生长、材料缺陷等等。在这个意义上，同步辐射最大的优点在于它的通用性。
提到光源，肯定就有很多人想问：同步辐射能不能用来做光刻机？
简单的回答是，不能。不过，同步辐射可以用来研究光刻过程，而且这样的研究已经进行了几十年，取得了很多成果。事实上，合肥光源正在升级改造，将来会成为世界最好的专用光刻研究光源。
不同代的同步辐射光源有何区别？

你经常会在新闻中看到，某某是第一代光源，某某是第四代光源之类，这话是什么意思呢？
第一代就是兼用的光源，例如BEPC。从第二代开始是专用的光源，例如合肥光源是第二代，上海光源（SSRF）是第三代，正在建设的合肥先进光源（HALF）和北京高能同步辐射光源（HEPS）是第四代。
从第二代到第四代的区别主要在于亮度，即单位面积单位时间内的光子数，每一代都有上百倍的提升。亮度高了，就可以在比以前短得多的时间内完成实验，或者给比以前多得多的用户使用。此外，到了第四代又出现一个新的性质，光的相干性。相干光在以前的光源中不到1%，而在第四代光源中可以超过30%。有了相干性，又可以做很多以前不可能做的实验，好比把白炽灯升级到激光，这是质的区别，不是量的区别。
我国为什么要建这么多同步辐射光源？

你可能想问，我国为什么要建设这么多同步辐射光源？回答是，它们覆盖不同的能区。合肥先进光源是低能区，上海光源是中能区，北京高能同步辐射光源是高能区。
了解到这里，外行非常容易产生的一个问题是：为什么要这么多能区？能量难道不是越高越好吗？
回答是，完全不是这样。所谓能量越高越好，是看了粒子物理实验的报道容易产生的一个误解。其实就连粒子物理实验也不是能量越高越好，要看不同的实验目的。对于光源来说，就更不是能量越高越好了。
基本的道理是，光子的能量要和想探测的物理过程的能量匹配。因此，低能区光源侧重研究物质的电子状态，尤其对轻质元素敏感，而中高能区光源侧重研究原子位置和物质结构，穿透力强。大家各有各的用处，是互补的关系，而不是代替的关系。
我国作为同步辐射的后来者，目前还远不如欧洲和美国。但我国正在建设的合肥先进光源和北京高能同步辐射光源竣工后，再加上合肥光源的升级改造，我国将拥有最完整的同步辐射光源体系，一跃成为世界领导者。这也正是我国在许多领域的缩影，正如HALF这个简称的喻义：行百里者半九十。
出品：科普中国
作者：袁岚峰（中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心）
监制：中国科普博览

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同步辐射能用于医疗吗？