同步辐射特点与应用总结

同步辐射属于电磁辐射，和我们生活中常见的X光和可见光类别相同，其产生是因为近似光速运动的带电粒子在磁场中沿弧形轨道运动时改变运动方向，而被称为同步辐射是因为这种辐射是在1947年美国纽约州通用电气实验室的70MeV电子同步加速器上第一次被观察到（冼鼎昌，2013）。由于同步辐射产生的能量损失不利于提高高能加速能量，同步辐射在早期被认为是高能物理研究中的阻碍。随着研究的深入，研究者们认识到同步辐射与常规光源相比拥有高极化性、高准直性、高光谱亮度、宽的频谱范围、高光子通量和高相干性等许多优点。自1970年之后，研究者们逐渐认识到同步辐射的优越性能，发达国家相继展开关于同步辐射的实验，同步辐射显著地推动了各个领域的研究探索，所以近年来绝大多数高能电子加速器上都建设了同步辐射线站和各类应用同步辐射光的设备（张建松和刘丹，2009）。

图1：电子在磁场中的运动曲线以及同步辐射光源首次被发现

自二十世纪四十年代同步辐射光源首次被发现的这70多年以来，科学研究持续发展，对科技创新的要求逐步提升，同步辐射也顺应研究需求持续升级，先后经历了三个迅速发展的时期。最早的一代同步辐射光源，如依附于北京正负电子对撞机的北京光源就是典型的兼用机，需要依附于高能物理实验专用的高能对撞机；以合肥国家同步辐射实验室为代表的第二代同步辐射光源则是以同步辐射专用储存环为基础的专用机；上海光源作为先进的第三代同步辐射光源是以性能更高的同步辐射专用储存环为基础的专用机。三代光源之间一个重要差异在于所安装的插入件数量的多少，第三代光源可供使用的插入件有十几个甚至可达几十个，而第二代光源只有几个。插入件的数量可直接表示同步辐射设备的品质是因为与弯转磁铁而产生的光相比，插入件生成的光更亮，在其他性能上也有显著的改善。而三代光源之间最大的差别是发光光源的电子发射度或电子束斑尺寸的差异产生的。比如第三代的同步辐射光源的电子束发射度仅为4纳米弧度，而第二代同步辐射光源电子束发射度约为上海光源的40倍，近乎150纳米弧度，两代光源间得到光亮度相差几乎3个量级，接近1600倍（张建松和刘丹，2009；孙英兰，2009）。(www.xing528.com)

图2：光源插入件数量与光的运动曲线示意图

现代同步辐射装置主要包括加速器、光束线站以及配套的公用设施。上海光源加速器也包含三部分，其中加速器电子储存环的能量为3.5 GeV、周长为432米，所含增强器的能量为3.5 GeV、周长为180米，电子直线加速器的能量为150 MeV（孙英兰，2009）。线站直接为用户提供实验机时和实验条件，每条光束线站包括前端区、光束线和实验站，目前已进入运行的有15条光束线19个实验站。公用设施是为加速器和光束线站各设备提供电力、冷却水、压缩空气、空调等基本运行条件的设施，公用设施包含纯水站、冷冻站、空调系统、液氮低温系统、工艺冷却水恒温控制系统、变配电系统、压缩空气系统、隧道及大厅内的温度控制系统和循环冷却水系统。