全世界有这么多“UFO”，最亮的一个在怀柔科学城

2019 年 5 月 5 日 中科院高能所

来源：怀柔科学城HSC 微信公众号

相传，在世界各地，坐落着这样一个一个的“UFO”。它们不光拥有着神秘的外形，而且能让电子在磁场的魔力下转圈圈。它们能窥探物质内部的各种“魑魅魍魉”，让各种“妖魔鬼怪”无所遁形。江湖人称“火眼金睛”！这些“UFO”不是别的，正是同步辐射光源。

我们先来了解一下

世界上比较有名的几个同步辐射光源

⇪ 欧洲同步辐射光源（ESRF，http://www.esrf.eu/）

⇪ 日本SPring-8同步辐射光源

（SPring-8，http://www.spring8.or.jp/en/）

⇪ 美国阿贡国家实验室的先进光子源

（APS，https://www.aps.anl.gov/）

⇪ 美国布鲁克海文国家实验室的国家同步辐射光源

（NSLS-II，https://www.bnl.gov/ps/）

⇪ 英国钻石光源

（Diamond, https://www.diamond.ac.uk/Home.html）

先别急着疑惑

为什么这些大家伙长得都像UFO

先来听小编介绍下怀柔科学城即将开工建设的高能同步辐射光源

（http://heps.ihep.ac.cn）

因为它建成后将是这些光源里边

最亮的同步辐射光源

这个光源有多厉害？

在怀柔科学城落地的五个国家重大科技基础设施中，高能同步辐射光源（HEPS）项目由中科院高能所作为法人单位承担建设。该项目为《国家重大科技基础设施建设“十三五”规划》优先布局的大科学工程项目之一，建成以后将是中国的第一台高能同步辐射光源，也是我国第一台第四代同步辐射光源。同时，它还具有世界最高光谱亮度，高于目前世界上现有和正在或即将建设的光源，并且还有进一步提高的空间。

建设规模及建设周期？

高能同步辐射光源HEPS首期建设加速器（储存环周长约1360m）、14条公共光束线站及配套土建工程等，建成后将为基础科学和工程科学等领域原创性、突破性创新研究提供重要支撑。

该项目新建建筑面积12.5万平方米，拟于2019年年中在怀柔科学城北部核心区开工建设，建设周期6.5年。

这个项目有什么重要作用？

科学目标：

1.通过对微观结构多维度、实时、原位表征，解析物质结构生成及其演化的全周期全过程。包括原位观察复杂单晶生长以及加工过程，揭示多种单晶叶片常见缺陷的形成机制；对工程材料全寿命周期进行多尺度表征，探究材料性能和使用过程中失效的关键因素；解决高温合金材料的制造、加工、服役和修复等环节中的偏析问题和应力问题。

2.揭示微观物质结构生成演化的机制，剖析微观物质构成，为物质调控提供基础支撑。重点测定特殊材料的宽区状态方程，为惯性约束核聚变探测器的精密标定提供条件；解析 1 微米量级蛋白质晶体的结构，解释重要蛋白的功能，推动新药发明。

高能同步辐射光源可以对物质的微观结构进行全方位探测（这有一个炫酷的名字“多维度”，就是从原子结构到电子结构各种角度进行探测），并且能够“看到”各种材料、部件在真实的工作环境下的变化过程（这也有一个高端的说法：实时、原位表征），因此可以告诉我们各种物质的结构是如何生成的，以及在使用等过程中怎么演化的。

由于高能同步辐射光源能够揭示微观物质结构生成演化的机制，剖析微观物质构成，人们希望它能够为物质调控提供基础支撑（物质调控的含义就是能够按照我们的需求，控制各种原子的组成和排列，获得一些我们需要的性能，很有些科幻的味道，但这正是未来科技努力实现的目标之一）。

工程目标：

1. 建设国际领先的高能同步辐射光源，储存环能量达6GeV，亮度达

1×10²²phs/s/mm²/mrad²/0.1%BW，发射度小于0.06nm·rad，高性能光束线站容量不少于90个，可提供能量达300千电子伏的X射线。

2. 设施空间分辨能力达到10nm量级，具备单个纳米颗粒探测能力；能量分辨能力达到1meV伏量级；时间分辨达到ps量级，具备高重复频率的动态探测能力。

建设意义：

1.有利于进一步优化我国同步辐射光源区域布局的进一步合理化，促进我国科学技术与社会经济更加和谐协调地发展。

2.可提供能量高达300keV的X射线，满足与国家发展战略和工业核心需求相关研究的迫切需求，同时，HEPS也能在低、中能区提供亮度更高的X射线，在基础科学研究领域为用户提供更好的支撑平台。

能为国家和人民带来什么利益？

经济和社会效益：

高能同步辐射光源将在我国先进材料、航空航天、能源、环保、医药、石油、化工、生物工程和微细加工等领域中广泛应用，提供突破瓶颈问题的关键手段，通过推动技术创新，提升企业的核心竞争力，推动相关高科技产业的发展。

高能同步辐射光源将成为我国重要的国际科技合作与基础科学研究平台，提升我国在相关领域原始创新能力的同时，增强我国的国际影响力。

高能同步辐射光源还将成为相关领域高科技人才的引进和培养基地。

了解完怀柔科学城高能同步辐射光源

现在咱们来说说

为啥世界各地的光源长的都像UFO

X射线简介

鉴于这些大家伙与X射线有关，所以咱们就先解释一下啥是X射线。顾名思义就是无名之光，因为当初发现它的时候，伦琴也不知道这是什么东西啊，但发现它可以显示人体的骨骼结构，故而名之以X射线。

第一张X射线图像：伦琴夫人的手骨及戒指

本质上，它属于广泛的电磁辐射家族成员之一，只是它的波长非常短，与蛋白质分子，原子等大小相当。波长短意味着频率高，而频率高意味着它携带的光子能量比较大（请自行脑补荣获诺贝尔奖的波粒二象性），以至于能够破坏分子间化学键。对人体而言，过量的接触X射线会致使体内的蛋白质结构遭受一定的破坏，因而有害健康。当然啦，医院里使用的X光机拍片都是在对人体安全范围内操作的，要相信咱们的医护以及科研人员所做的努力。

既然有害于健康，为啥还要发展这无名之光？实际上，X射线除了能帮助医护人员提前诊断我们体内的一些病症，它在工业，医药以及科研前沿等其他领域也在无时无刻地造福着我们。比如借助于其在材料内部穿透深度比较大的特性，人们利用X射线检测所生产金属器件的内部完整性；通过研究医药大分子的结构，科研人们能够研发出更具有针对性的药品。所以为了充分利用X射线的优势，自从其被发现以来，人们一直想方设法地得到品质优良的X射线。

X射线的两种产生方式

阴极管

目前比较常见的产生X射线装置有两种：一种是用高能电子轰击金属，电子在打进金属的过程中急剧减速，按照大名鼎鼎的麦克斯韦方程，减速的带电粒子或者激发的金属原子会辐射电磁波，如果电子能量很大，比如上万电子伏，就可以产生X射线，这是目前实验室和工厂，医院等地方用的产生X射线的方法，该方法产生的X射线能量比较单一，同时亮度也一般比较弱；另外一种就是同步辐射装置。

快速转动雨伞

类似于雨中快速转动雨伞，沿伞边缘的切线方向就会飞出一簇簇水珠。上个世纪初，人们预言真空中接近光速运动的电子在磁场中作曲线运动时，由于洛伦兹力所施加的向心加速度的存在，电子也会沿着弯转轨道切线方向发射连续的电磁辐射；随后在1947年，美国通用电气公司的一名工人在调试70兆电子伏(MeV)的电子同步加速器时意外观察到了这种电磁辐射，由于是在同步加速器上第一次看到这种电磁辐射，因此也就称之为“同步加速器辐射”，简称“同步辐射”（回旋加速器等其它加速器同学表示不服及严重抗议……）。

磁场偏转电子辐射

同步辐射一被发现就显示出了强大的研究物质结构的能力，因此当年许多用来做粒子物理研究的同步加速器“转行”或者“客串”，开展同步辐射研究这就是第一代的同步辐射光源。为了进一步提升同步辐射产生的X射线特性，人们在弯转磁铁之间的直线段插入产生周期性磁场部件（称为插入件），当电子束通过插入件时会被磁场往复、周期性地偏转方向，在近似正弦曲线的扭摆偏转中发出更多的同步辐射光，最后相互叠加出亮度更高的X射线。根据插入件的周期以及数目，这种方式又可分为扭摆磁铁和波荡器两种模式，其中扭摆磁铁产生的X射线发散角度比较宽同时能量范围也比较广，而波荡器由于致密周期性磁场的存在使得前后产生的X射线相干叠加，因而其发散角度非常小同时强度更亮。之后继续建设的第二代、第三代同步辐射光源中，插入件逐渐被广泛应用，特别是第三代同步辐射光源，插入件已经成为主力。第四代同步辐射光源，普遍采用多弯铁消色散结构，将电子束发射度在三代光源基础上进一步降低1~2个量级，大幅提升同步辐射光的亮度和横向相干性。将在怀柔科学城启动建设的HEPS即为第四代同步辐射光源。

插入件原理示意图

插入件实物图

同步辐射装置

同步辐射示意图

依据上述磁铁偏转电子引发电磁辐射的方式，人们建立了现代大型同步辐射光源，即：一开始电子在直线加速器中加速到MeV量级，随后进入圆形加速器中迅速提升至接近光速，之后高速的电子进入外围储存环中，最后这些电子在通过特制的插入件以释放出一定的同步光。这也就是为什么上面显示的不同地方的同步辐射都是UFO形的。为了最大化该装置的利用，人们在储存环的不同部位通过插入不同类型的磁铁以获得不同特性的同步光，进而服务于不同的实验对象。

北京同步辐射中心实验线站

同步辐射X射线优点

1. 强度高，亮度大

由于电子损失的能量全部以光子辐射的方式发射出去，而且发射的角度极小，并且可以用多次叠加的办法加强，还能够控制的发光的电子束流密度，这种大型设备产生的同步光亮度比常规X光机要高出约4-12个数量级。

2. 光子能量范围宽

同步光的能量可以从远红外区连续变化至硬X射线区域，能量跨度8个数量级。作为参考，咱们人眼可分辨的光谱范围连一个数量级都不到。

3. 其他特点

这些X射线一般还具有比较好的准直性、偏振性以及脉冲时间结构等等。

所有这些优点使得同步辐射作为一个大型科研平台能够同时服务于不同的学科，不同的领域。比如，人们在该装置上可以得到极端条件下材料的结构工程研究，抑或是构成人体遗传物质的DNA双螺旋结构以及人体细胞内的离子传输通道蛋白三维结构等；利用X射线的脉冲特性，人们甚至可以观测一些动态过程，如生物领域的DNA复制过程和化学领域的光催化电子转移方式等等。

X射线显示晶体结构

X射线晶体衍射图案

我国同步辐射及相关研究成果

到目前为止，世界上大约有50多台这样的科研装置运行在23个国家和地区，而且新的装置还在不断的建设中。上个世纪80年代，在一代伟人邓小平同志的推动下，我国在北京建立了正负电子对撞机并兼用为第一代同步辐射装置（也是由高能所承担建设、运行任务），随后紧跟世界发展，我国又陆续修建了合肥第二代同步辐射光源，上海第三代光源以及台湾新竹的同步辐射装置。

上海第三代同步辐射光源

依靠国内这些先进光源设施，我国科学家如今也已取得了举世瞩目的科研成果。这其中，作为铁杆用户，物理所当然也不负众望。比如通过研究X射线吸收谱，得到了元素的化学价变化情况，来自清洁能源实验室的人们理清了光催化和锂离子电池中的电子转移情况，为我国未来能源应用方面打下了坚实基础；在基础科研方面，极端实验室的科研人员利用上海第三代同步辐射产生的优良X射线首次发现了材料内部的一些“幽灵”粒子，如外尔费米子等等，使得我国在这个领域占据了一定的战略制高点。

外尔费米子的发现（图片来自物理所极端实验室7组）

还有一个，就是小编开篇介绍的怀柔科学城高能同步辐射光源。未来，怀柔科学城高能同步辐射光源提供的高亮度、高通量、高准直度、精确可控、能量连续可调的X射线将为生命、材料、能源、环境等多种尖端科学研究提供高水平的研究平台，而作为用户单位的物理所也必将再接再厉，做出更多原创性的世界级科研成果。

同步辐射应用

关于X射线的小问题

1. X射线对身体有害吗？

作为电磁辐射中的一员，高能量的X射线属于电离辐射，即有能力破坏人体的一些组织结构，因而尽量少接触或者避免暴露于X射线中。作为对比，手机和电脑等电子设备发射的电磁辐射能量比较低，属于非电离辐射，并且目前尚没有科学研究发现其对人体组织有影响。

2. 生活中有哪些场景会接触X射线

在日常生活中，人们接触X射线一般是在医院拍胸片或者CT扫描。由于X射线辐射对人体的危害有一定的剂量阈值，即超过该值，X射线就对身体产生一定的不良影响。但在医院的这些设备都被严格控制在阈值以下，因而不必过于担心类似的体检。

3. 去同步辐射参观是否担心X射线辐射？

在同步辐射装置上，人们一般利用一定厚度的铅墙等一系列防护措施，来隔离并吸收释放的电磁辐射，所以在同步辐射装置正常运行时，装置产生的辐射剂量对外界环境的影响是微乎其微的，可忽略不计（HEPS正常运行情况下，装置附近居民一年所受的辐射剂量≈乘坐飞机15分钟的辐射量）；而同步辐射装置产生的辐射是瞬发性的，只要加速器一停机，辐射场即消失。所以按照工作人员的引导来参观同步辐射完全不必担心辐射问题。

如今世界各国都在加大

对同步辐射设施的建设投入

我国同步辐射光源的发展

目前已历经三代，如今即将开建的

高能同步辐射光源

是世界范围内亮度最高的第四代同步辐射光源

同时也是中国第一台高能量同步辐射光源

作为怀柔科学城五大科学装置之一

高能同步辐射光源的开建

将成为我国建设先进高能同步辐射光源

迈向世界先进水平的重要一步！

本文由“怀柔科学城HSC”公众号编辑，部分资料来源中科院高能所、物理所。欲转载请关注“怀柔科学城HSC”公众号回复“转载”取得授权，谢谢配合。