博文
科学的引擎——带您了解大型科学技术装置：同步辐射(三)
||
这里讲讲同步辐射，是个大话题。
资料网上很多。这里只讲三个方面：
1.同步辐射基本原理
2.中国的同步辐射装置和国际上的装置
3.同步辐射的应用范围
同步辐射基本原理是储存环中的电子在经过二极磁铁偏置时，会在运动切线方向发射出光子，即电磁波辐射。同步辐射装置就是在偏转磁铁后面连接引出管道，将辐射光经规整后引到试验台上照射实验物质，经成像（衍射等）和后端计算机的信号处理得到物质内部组成结构。
下图一个从储存环里侧（左图）看同步辐射光引出装置；一个从储存环外侧（右图）看引出装置。
虽然原理上看并不复杂，但是实现设备精度要求非常高。比如引出管道是真空的，但材料本身是要与大气接触的，所以真空度的保持便是一个大问题；成像系统以及数字图像处理也是技术上的一个挑战。
值得一提的是，只有电子环形加速器才有同步辐射，质子是不存在同步辐射现象的，或者非常弱以致没有任何实用价值。
我国现有四台同步辐射装置（包括台湾一台），分别是：北京高能物理研究所一台BSRF，合肥中科大国家同步辐射实验室NSRL，上海应用物理研究所的上海光源SSRF，分别是第一、第二和第三代同步辐射光源，以及台湾新竹的一台（第三代光源）。
但大陆的这三台总的来说，远远不够我们用户的使用。BSRF每年接收到的实验申请远多于它能提供的人次数，甚至很多北京的客户因为这里排不到只能去合肥NSRL申请。机器运行时，往往是实验一个紧接着一个，上一个小时一个实验，下一个小时又赶快做下一个实验。BSRF是BEPC（北京正负电子对撞机）的附属装置，即BEPC做高能物理实验几个月，在不做对撞实验时便工作在同步辐射模式，为用户提供光源。面对这样的问题，我们新建了SSRF（上海），应该能够缓解这种供光压力。如果不出意外，明年会对用户开放。
国际上大大小小有几十台同步辐射装置，比较知名的同步辐射光源有美国阿贡实验室（Argonne National Laboratory）的APS（Advanced Photon Source）、欧洲的ESRF、日本的Spring-8以及SLAC的SSRL、英国的Diamond Light Source、瑞士的SLS等。每年都有上万的科学家和工程师在它们上面取得着前所未有的令人惊喜的发现。
同步辐射的应用
同步辐射发射的光束有许多以前光源没有的优点：准直性，光束集中、偏振性、高亮度、宽频段等。粒子在储存环里是一团一团的被加速，所以发射的光束是脉冲性质的，因此又可以做超短时间分辨实验。它的种种优良特性使得它的应用非常广泛，主要有以下这些方面：
1.生命科学。包括从细胞、蛋白质、氨基酸、DNA到细菌、病毒等一切生命体成分的静态结构分析和分子动力学分析。
2.材料科学。例如高温超导材料、单晶体和半导体结构、晶格相位对于高温高压条件的反应、强关联结构、纳米材料等凝聚态物理领域。
3.化学科学。分子动力学、化学反应和催化剂催化过程动态分析、元素和化合物与X射线的微观作用等。
4.环境科学。新型电池、有毒物质的降解方法、重金属对环境影响等。
5.地球科学。高温高压等极端条件的岩石结构、应力分析等。
6.考古学。无损探测文物、文物数字化复原等。
7.工业和医学。新型汽车材料、建筑内部结构检测、集装箱检测，微机电系统和光刻、高分辨率人体内部病变的检测等。
我并不是做同步辐射方法研究的，所以许多学科内的专业名词我不是很懂，但是同步辐射是生物、化学、凝聚态物理和材料物理、地球环境、工业和医学等所有学科非常优秀的工具。
不仅仅是同步辐射光源本身的性能，同步辐射（X射线）的成像检测和谱分析方法也是至关重要的。同步辐射装置的建立无疑会对研究方法、研究理念直至各相关学科的发展起到一个巨大的推动作用。好比一个是好的鱼竿，一个是好的钓鱼技巧，两者都好才能钓到好鱼。
我印象中看到过一个数据，迄今为止80%的大分子蛋白质的微观结构都是在同步辐射（X射线）平台上获得的。
其实我只了解这么多，所以更加深入的东西我也不知道，便不写了。最后我只想让更多的人了解这门学科，因为它对整个科学都起着平台性的作用。你可以说科学的工具并不是科学，但是当你做科学的时候，只要记得哪一个工具对你的工作最有价值，能不能用这个工具，以及你能够用这个工具做出什么工作出来。
下面讲讲和同步辐射技术相互补充的另外一门新兴技术——中子探测和散裂中子源；以及亮度高于同步辐射一亿倍的最新一代光源（第四代）——X射线自由电子激光。
https://m.sciencenet.cn/blog-200301-206249.html
上一篇：科学的引擎——带您了解大型科学技术装置：粒子对撞机(二)
下一篇：科学的引擎——带您了解大型科学技术装置：散裂中子源(四)
