世界最“亮”的光，如何而来？

来源:中科院半导体所发布时间:2023-03-172645浏览

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来源：中国科普博览（ID：kepubolan）作者：子乾

3月14日，中国第一台高能同步辐射光源、“十三五”国家重大科技基础设施高能同步辐射光源（HEPS）直线加速器满能量出束，成功加速第一束电子束。这意味着高能同步辐射光源进入科研设备安装、调束并行阶段。

HEPS鸟瞰图

（图片来源：中国科学院高能物理研究所）

什么是高能同步辐射光源？如何用最“亮”的光照亮微观世界？人类又是如何利用光源？让我们来一起聊一聊。

Part.1

第一幕：光

有人说，摄影是用光的艺术。有光，才有摄影。但很多时候，仅仅自然光是无法满足需求的，这就需要人造光源来塑造拍摄场景。即使是相同的物体，在不同的光源下，也可能拍摄出完全不同的效果。

光是人类认识自然的最基本的工具，在科学的历程中，用好光也是至关重要的一部分。其中最直接的体现就是光学显微镜。比如使用透射式显微镜时，需要把样品切得很薄，这样光线才能从底下透过去样品，进入显微镜成像；如果把样品切得太厚，光线穿不过去，那就啥也看不到了。这种情况往往需要一个强大的光源辅助，纯靠自然光是不行的。如此想象，如果能有一个非常强大的光源，那么即使切片厚一些，也有足够的光线穿透过去！

光学显微镜

（图片来源：veer图库）

随着科学的深入，人们逐渐发现，可见光作为一种电磁波，存在干涉和衍射现象，被观察物体的尺寸必须大于光的波长，人们才能有效分辨其中的结构；另一方面，人们也可以利用波动的这种性质，用波长与被观察物体尺寸相近的单一波长的光进行观察，则可以产生干涉图样，虽然得到的不是直接的图像，但是其中依然包含了物体的结构信息。

可见光对应的波长在400纳米至760纳米，一个微生物大小则要大于1微米（1 微米=1000 纳米）的量级，因此，用可见光还是可以观察微生物的。但是，一个分子的大小一般只有几纳米到几十纳米，这个范围已经远远小于可见光了，因此就需要紫外线甚至是“软”X射线，才能有效地观察分子结构。X射线的能量比可见光高，对应的波长比可见光短，因此可以“看到”更小的物体。显然，能量越高的光就能看到越小的物体结构。当然，在实际情况中，也不是波长越短越好，要根据观察对象来选择光源。

电磁波频谱图

（图片来源：https://www.forbest.com/en/2020/K12-science_0227/518.html）

用X射线观察物体内部结构，起源于1912年11月，小布拉格以《晶体对短波长电磁波衍射》为题在剑桥哲学学会报告了研究成果，接着，老布拉格又于次年1月设计出第一台X射线光谱仪（这里插一句，小布拉格和老布拉格是诺贝尔历史上第一对父子获奖者）。自此，人们开启了利用X射线等观察物体结构的时代，越来越多的物质结构秘密被揭开。比如，DNA的双螺旋结构，就是用X射线照射后，通过分析干涉图样反推出来的。

DNA的X-射线干涉图样

（图片来源：伦敦国王学院）

现在，用X射线观察物体内部结构已经出现在我们的日常生活中了，比如医院拍片子、车站安检，以及码头对集装箱内部的检查等等，用的也都是X射线。只不过不同的场景下能量不同，对应X射线的波长不同，剂量也不同。

X射线安检机的监视器看到的画面

（图片来源：生态环境部华南核与辐射安全监督站）

Part.2

第二幕：不可避免的能量损失

20世纪上半叶，人们逐渐地发现了构成宏观物质的亚原子粒子，比如电子、质子、中子、光子等，随着研究的深入，人们由从大地中以及宇宙射线中发现了新的粒子，如介子、缪子、奇异粒子等，这些粒子并不能稳定存在，会在很短的时间内衰变掉。

为了研究这些粒子的性质，一个靠谱的办法就是把粒子加速到比较高的能量，再进行打靶或者粒子对撞。中学物理知识告诉我们，带电粒子在电场中会受到力的作用而加速运动，在磁场中则会受到垂直于运动方向的洛伦兹力而做圆周运动。

回旋加速器示意图

（图片来源：图片自制）

于是，在20世纪30年代前后，劳伦斯发明了回旋粒子加速器，其基本结构是两个半圆的D型盒，两个半盒之间有缝隙，其中加以电场，当电子通过的时候能够被电场加速；整个加速器置于磁场中，电子在磁场的作用下做圆周运动。电场区域会根据电子的运动周期性地改变方向，保证电子每次经过时都是被加速。这样的加速器就叫做“同步加速器”，如此，电子可以被加速到较高的能量，而且也很容易控制。

粒子对撞机确实非常有效，帮助科学家发现了大量的粒子，甚至可以毫不夸张的说，在20世纪中叶，好像每天都有新粒子发现。开个玩笑，如果哪位科学家没能发现一个新的粒子，出门都不好意思跟别人打招呼，由此粒子物理标准模型也得以建立起来。在科幻剧《三体》中，外星人就是通过干扰对撞机实验而锁死人类的前沿科学呢！

粒子物理标准模型

（图片来源：https://m.guokr.com/article/459549）

然而，好景不长，1947年美国通用电气公司实验室在调试新建成的70 MeV电子同步加速器时，发现了一种强烈的光辐射，从此这种辐射便被称为“同步加速器辐射”，简称为“同步辐射”。实际上，理论上早就预言了这种电磁辐射的存在，带电粒子在加速运动的时候会发射电磁波。回想一下中学物理知识，匀速圆周运动虽然速度大小不变，但是方向一直在变化，这也是一种加速运动，因此，粒子会沿着运动切线方向辐射电磁波。这就像下雨天打伞，当我们转动伞的时候，水滴就会从伞的边缘沿着切线方向甩出去一样。

电磁波是有能量的，辐射出去的能量与带电粒子能量的四次方成正比！粒子能量损失，速度下降，给粒子加速的能量白白地辐射出去，无法有效利用。这种辐射是粒子运动的基本规律，是无法避免的能量损失，最终粒子物理学家也只能接受。

Part.3

第三幕：变废为宝

对于粒子物理学家来说，同步辐射是一种能量损失，但是换一个角度来看，这股辐射也是光源啊！研究原子物理、固体物理、化学等方面的科学家对此很有兴趣，对于固体结构、原子光谱的研究中，往往需要高性能的良好光源。而这样的光源，不就在加速器中嘛！

20世纪50年代到60年代，科学家对加速器中产生的同步辐射开始了初步的研究，发现测量到的同步辐射与理论计算预期完美契合，并用同步辐射研究了氦、氯元素等的吸收光谱，自此之后，科学家开始在世界各地的电子同步加速器上，利用同步辐射做研究，并迅速把这种方法应用到原子/分子物理、固体物理等物理化学领域。

同步辐射有许多优良的性质，比如说辐射波长范围非常广，几乎可以涵盖从红外线到X射线的整个波段，可以说，同步辐射是唯一的频谱范围如此宽阔的优质光源，小到原子，大到头发丝，都在可观察范围内。而且辐射的波长可以连续变化，辐射的波长取决于能量，能量又与辐射粒子的能量相关，因此，只需要把电子（或其它用于加速的带电粒子加速到合适的能量上，然后再用磁场转弯，就能沿着切线方向获得光了！