一個放大鏡，一個鸚鵡螺，一只大眼睛，這些是什么？

左：北京高能同步輻射光源（HEPS）中：上海同步輻射光源（SSRF）右：合肥先進光源（HALF）

（中國科學院高能物理研究所、上海同步輻射光源、中國科學技術大學）

答案是，這些都是同步輻射光源。順便說一句，最近我剛剛去參觀了合肥先進光源（Hefei Advanced Light Facility，簡稱HALF），看到了李政道先生的題字以及全景的俯視圖。我驚訝地發現，它不僅是像一只眼睛，而且更像一個全宇宙最神奇的圖案：太極圖。

合肥先進光源的俯視圖和李政道先生的題字

（中國科學技術大學國家同步輻射實驗室）

近年來，很多人都聽說了同步輻射（synchrotron radiation），聽說了國家在建設多個同步輻射裝置。但首先的問題就是，同步輻射是什么意思？

同步輻射是什么意思？

最基本的理解是，同步輻射是一種光源。對此，一個形象的比喻是“下雨天轉傘”。當你旋轉雨傘的時候，水滴就會從四面八方被甩出去。它們的方向是什么呢？是傘的切線方向，即垂直于半徑方向，因為這就是水滴的慣性運動速度方向。

同步輻射也是這樣。讓電子在一個環中做圓周運動，就會有光從切線方向發出來，好比雨傘甩出的水滴。當然這只是個比喻，對此更準確的解釋是，圓周運動是一種變速運動（因為速度是個矢量，既有大小也有方向，改變方向就是變速），帶電粒子做變速運動就會損失能量，發出電磁輻射。

為什么叫“同步”輻射？與什么同步？

了解同步輻射是一種光源之后，很容易想到的問題是：為什么它叫做“同步”輻射？究竟是什么跟什么同步？

答案是，這其實是個歷史原因，因為同步輻射最初是在同步加速器（synchrotron）上發現的，而同步輻射本身并沒有什么同步可言。想要理解同步加速器是什么，就需要明白它和直線加速器（linear accelerator）、回旋加速器（cyclotron）的聯系和區別。

簡而言之，在直線加速器中，粒子走的是一條直線；在回旋加速器中，粒子走的是一條螺旋線；在同步加速器中，粒子走的是一個閉合軌道，由弧線段和直線段組成。為了讓粒子在閉合軌道運動時始終受到加速而不是減速，就需要讓粒子的旋轉頻率與加速電場的頻率保持同步，這就是同步加速器名稱的由來。

同步加速器能夠把粒子加到很高的速度，但不能從0速度開始加速。也就是說，必須有別的加速器給它提供初始能量。因此，同步輻射裝置其實都包括兩個加速器。首先是一個直線加速器把電子從靜止加速到具有一定能量，然后把電子注入到一個同步加速器，讓它在環形運動中發出同步輻射。前一個加速器叫做注入器（injector），后一個加速器叫做儲存環（storage ring）。同步輻射裝置的大部分技術含量，就在儲存環上。

中國第一個專用的同步輻射光源是1989年建成的合肥光源（Hefei Light Source），位于中國科學技術大學西區的國家同步輻射實驗室。1992年，我剛到科大上學的時候，就很奇怪為什么人們常常把它簡稱為“加速器”。現在大家明白了吧？做同步輻射的和做加速器的，其實就是同一個學術群體。

剛才我們說，合肥光源是中國第一個專用的同步輻射光源。為什么要說“專用”呢？因為最早的同步輻射裝置其實是兼用的，即它的本職工作是粒子加速器，用來做粒子物理實驗，只是用一部分時間（例如一年中的三個月）來作為光源，順便檢修。同一時間建成的北京正負電子對撞機（BEPC），就是我國第一臺兼用的同步輻射光源。合肥光源和北京正負電子對撞機，正代表了我國大科學裝置篳路藍縷的歷史。

同步輻射有什么用？與其他光源有何區別？

了解同步輻射的原理后，下一個問題是：它有什么用？

其實最簡單的回答，上面已經給出來了：它是一個光源。不過，更深入的問題自然就是：它跟其他光源有什么區別？

答案是，同步輻射是連續譜，即可以產生一個頻段內所有頻率的光。當我們需要某個頻率的光做某個任務時，就可以通過單色器把這個頻率的光提取出來。因此，同步輻射的應用范圍非常廣闊，可以探測物質結構、反應機理、晶體生長、材料缺陷等等。在這個意義上，同步輻射最大的優點在于它的通用性。

提到光源，肯定就有很多人想問：同步輻射能不能用來做光刻機？

簡單的回答是，不能。不過，同步輻射可以用來研究光刻過程，而且這樣的研究已經進行了幾十年，取得了很多成果。事實上，合肥光源正在升級改造，將來會成為世界最好的專用光刻研究光源。

不同代的同步輻射光源有何區別？

你經常會在新聞中看到，某某是第一代光源，某某是第四代光源之類，這話是什么意思呢？

第一代就是兼用的光源，例如BEPC。從第二代開始是專用的光源，例如合肥光源是第二代，上海光源（SSRF）是第三代，正在建設的合肥先進光源（HALF）和北京高能同步輻射光源（HEPS）是第四代。

從第二代到第四代的區別主要在于亮度，即單位面積單位時間內的光子數，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時間內完成實驗，或者給比以前多得多的用戶使用。此外，到了第四代又出現一個新的性質，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過30%。有了相干性，又可以做很多以前不可能做的實驗，好比把白熾燈升級到激光，這是質的區別，不是量的區別。

我國為什么要建這么多同步輻射光源？

你可能想問，我國為什么要建設這么多同步輻射光源？回答是，它們覆蓋不同的能區。合肥先進光源是低能區，上海光源是中能區，北京高能同步輻射光源是高能區。

了解到這里，外行非常容易產生的一個問題是：為什么要這么多能區？能量難道不是越高越好嗎？

回答是，完全不是這樣。所謂能量越高越好，是看了粒子物理實驗的報道容易產生的一個誤解。其實就連粒子物理實驗也不是能量越高越好，要看不同的實驗目的。對于光源來說，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測的物理過程的能量匹配。因此，低能區光源側重研究物質的電子狀態，尤其對輕質元素敏感，而中高能區光源側重研究原子位置和物質結構，穿透力強。大家各有各的用處，是互補的關系，而不是代替的關系。

我國作為同步輻射的后來者，目前還遠不如歐洲和美國。但我國正在建設的合肥先進光源和北京高能同步輻射光源竣工后，再加上合肥光源的升級改造，我國將擁有最完整的同步輻射光源體系，一躍成為世界領導者。這也正是我國在許多領域的縮影，正如HALF這個簡稱的喻義：行百里者半九十。

出品：科普中國

作者：袁嵐峰（中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心）

監制：中國科普博覽