世界最“亮”的光，是如何發(fā)展而來的？丨高能同步輻射光源成功出束

出品：科普中國

作者：子乾

監(jiān)制：中國科普博覽

摘要：探微觀優(yōu)良光源無處覓 撞粒子同步輻射奈若何

3月14日，中國第一臺高能同步輻射光源、“十三五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施高能同步輻射光源（HEPS）直線加速器滿能量出束，成功加速第一束電子束。這意味著高能同步輻射光源進(jìn)入科研設(shè)備安裝、調(diào)束并行階段。

HEPS鳥瞰圖

（圖片來源：中國科學(xué)院高能物理研究所）

什么是高能同步輻射光源？如何用最“亮”的光照亮微觀世界？人類又是如何利用光源？讓我們來一起聊一聊。

第一幕：光

有人說，攝影是用光的藝術(shù)。有光，才有攝影。但很多時候，僅僅自然光是無法滿足需求的，這就需要人造光源來塑造拍攝場景。即使是相同的物體，在不同的光源下，也可能拍攝出完全不同的效果。

光是人類認(rèn)識自然的最基本的工具，在科學(xué)的歷程中，用好光也是至關(guān)重要的一部分。其中最直接的體現(xiàn)就是光學(xué)顯微鏡。比如使用透射式顯微鏡時，需要把樣品切得很薄，這樣光線才能從底下透過去樣品，進(jìn)入顯微鏡成像；如果把樣品切得太厚，光線穿不過去，那就啥也看不到了。這種情況往往需要一個強(qiáng)大的光源輔助，純靠自然光是不行的。如此想象，如果能有一個非常強(qiáng)大的光源，那么即使切片厚一些，也有足夠的光線穿透過去！

光學(xué)顯微鏡

（圖片來源：veer圖庫）

隨著科學(xué)的深入，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，可見光作為一種電磁波，存在干涉和衍射現(xiàn)象，被觀察物體的尺寸必須大于光的波長，人們才能有效分辨其中的結(jié)構(gòu)；另一方面，人們也可以利用波動的這種性質(zhì)，用波長與被觀察物體尺寸相近的單一波長的光進(jìn)行觀察，則可以產(chǎn)生干涉圖樣，雖然得到的不是直接的圖像，但是其中依然包含了物體的結(jié)構(gòu)信息。

可見光對應(yīng)的波長在400納米至760納米，一個微生物大小則要大于1微米（1 微米=1000 納米）的量級，因此，用可見光還是可以觀察微生物的。但是，一個分子的大小一般只有幾納米到幾十納米，這個范圍已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于可見光了，因此就需要紫外線甚至是“軟”X射線，才能有效地觀察分子結(jié)構(gòu)。X射線的能量比可見光高，對應(yīng)的波長比可見光短，因此可以“看到”更小的物體。顯然，能量越高的光就能看到越小的物體結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，在實(shí)際情況中，也不是波長越短越好，要根據(jù)觀察對象來選擇光源。

電磁波頻譜圖

（圖片來源：https://www.forbest.com/en/2020/K12-science_0227/518.html）

用X射線觀察物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，起源于1912年11月，小布拉格以《晶體對短波長電磁波衍射》為題在劍橋哲學(xué)學(xué)會報(bào)告了研究成果，接著，老布拉格又于次年1月設(shè)計(jì)出第一臺X射線光譜儀（這里插一句，小布拉格和老布拉格是諾貝爾歷史上第一對父子獲獎?wù)撸Ｗ源?，人們開啟了利用X射線等觀察物體結(jié)構(gòu)的時代，越來越多的物質(zhì)結(jié)構(gòu)秘密被揭開。比如，DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，就是用X射線照射后，通過分析干涉圖樣反推出來的。

DNA的X-射線干涉圖樣

（圖片來源：倫敦國王學(xué)院）

現(xiàn)在，用X射線觀察物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)在我們的日常生活中了，比如醫(yī)院拍片子、車站安檢，以及碼頭對集裝箱內(nèi)部的檢查等等，用的也都是X射線。只不過不同的場景下能量不同，對應(yīng)X射線的波長不同，劑量也不同。

X射線安檢機(jī)的監(jiān)視器看到的畫面

（圖片來源：生態(tài)環(huán)境部華南核與輻射安全監(jiān)督站）

第二幕：不可避免的能量損失

20世紀(jì)上半葉，人們逐漸地發(fā)現(xiàn)了構(gòu)成宏觀物質(zhì)的亞原子粒子，比如電子、質(zhì)子、中子、光子等，隨著研究的深入，人們由從大地中以及宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了新的粒子，如介子、繆子、奇異粒子等，這些粒子并不能穩(wěn)定存在，會在很短的時間內(nèi)衰變掉。

為了研究這些粒子的性質(zhì)，一個靠譜的辦法就是把粒子加速到比較高的能量，再進(jìn)行打靶或者粒子對撞。中學(xué)物理知識告訴我們，帶電粒子在電場中會受到力的作用而加速運(yùn)動，在磁場中則會受到垂直于運(yùn)動方向的洛倫茲力而做圓周運(yùn)動。

回旋加速器示意圖

（圖片來源：圖片自制）

于是，在20世紀(jì)30年代前后，勞倫斯發(fā)明了回旋粒子加速器，其基本結(jié)構(gòu)是兩個半圓的D型盒，兩個半盒之間有縫隙，其中加以電場，當(dāng)電子通過的時候能夠被電場加速；整個加速器置于磁場中，電子在磁場的作用下做圓周運(yùn)動。電場區(qū)域會根據(jù)電子的運(yùn)動周期性地改變方向，保證電子每次經(jīng)過時都是被加速。這樣的加速器就叫做“同步加速器”，如此，電子可以被加速到較高的能量，而且也很容易控制。

粒子對撞機(jī)確實(shí)非常有效，幫助科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了大量的粒子，甚至可以毫不夸張的說，在20世紀(jì)中葉，好像每天都有新粒子發(fā)現(xiàn)。開個玩笑，如果哪位科學(xué)家沒能發(fā)現(xiàn)一個新的粒子，出門都不好意思跟別人打招呼，由此粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型也得以建立起來。在科幻劇《三體》中，外星人就是通過干擾對撞機(jī)實(shí)驗(yàn)而鎖死人類的前沿科學(xué)呢！

粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型

（圖片來源：https://m.guokr.com/article/459549）

然而，好景不長，1947年美國通用電氣公司實(shí)驗(yàn)室在調(diào)試新建成的70 MeV電子同步加速器時，發(fā)現(xiàn)了一種強(qiáng)烈的光輻射，從此這種輻射便被稱為“同步加速器輻射”，簡稱為“同步輻射”。實(shí)際上，理論上早就預(yù)言了這種電磁輻射的存在，帶電粒子在加速運(yùn)動的時候會發(fā)射電磁波?；叵胍幌轮袑W(xué)物理知識，勻速圓周運(yùn)動雖然速度大小不變，但是方向一直在變化，這也是一種加速運(yùn)動，因此，粒子會沿著運(yùn)動切線方向輻射電磁波。這就像下雨天打傘，當(dāng)我們轉(zhuǎn)動傘的時候，水滴就會從傘的邊緣沿著切線方向甩出去一樣。

電磁波是有能量的，輻射出去的能量與帶電粒子能量的四次方成正比！粒子能量損失，速度下降，給粒子加速的能量白白地輻射出去，無法有效利用。這種輻射是粒子運(yùn)動的基本規(guī)律，是無法避免的能量損失，最終粒子物理學(xué)家也只能接受。

第三幕：變廢為寶

對于粒子物理學(xué)家來說，同步輻射是一種能量損失，但是換一個角度來看，這股輻射也是光源啊！研究原子物理、固體物理、化學(xué)等方面的科學(xué)家對此很有興趣，對于固體結(jié)構(gòu)、原子光譜的研究中，往往需要高性能的良好光源。而這樣的光源，不就在加速器中嘛！

20世紀(jì)50年代到60年代，科學(xué)家對加速器中產(chǎn)生的同步輻射開始了初步的研究，發(fā)現(xiàn)測量到的同步輻射與理論計(jì)算預(yù)期完美契合，并用同步輻射研究了氦、氯元素等的吸收光譜，自此之后，科學(xué)家開始在世界各地的電子同步加速器上，利用同步輻射做研究，并迅速把這種方法應(yīng)用到原子/分子物理、固體物理等物理化學(xué)領(lǐng)域。

同步輻射有許多優(yōu)良的性質(zhì)，比如說輻射波長范圍非常廣，幾乎可以涵蓋從紅外線到X射線的整個波段，可以說，同步輻射是唯一的頻譜范圍如此寬闊的優(yōu)質(zhì)光源，小到原子，大到頭發(fā)絲，都在可觀察范圍內(nèi)。而且輻射的波長可以連續(xù)變化，輻射的波長取決于能量，能量又與輻射粒子的能量相關(guān)，因此，只需要把電子（或其它用于加速的帶電粒子加速到合適的能量上，然后再用磁場轉(zhuǎn)彎，就能沿著切線方向獲得光了！

（圖片來源：http://pd.chem.ucl.ac.uk/pdnn/inst2/work.htm）

除此之外，同步輻射還有亮度高（是常規(guī)光源的上億倍）、高準(zhǔn)直性（幾乎是平行光）、高純凈度以及良好的相干性、偏振性以及時間結(jié)構(gòu)等。

如今，同步輻射的用戶群體不斷增加，使用領(lǐng)域也不斷拓展，曾經(jīng)被粒子物理學(xué)家所厭惡的無法避免的能量損失，現(xiàn)在已經(jīng)是令人搶手的香餑餑了！這真是山重水復(fù)疑無路，柳暗花明又一村啊！