同步辐射

相对论性带电粒子在电磁场的作用下沿弯转轨道。

同步辐射是速度接近光速（v≈c）的带电粒子在磁场中沿弧形轨道运动时放出的电磁辐射，由于它最初是在同步加速器上观察到的，便又被称为“同步辐射” ^[1]  或“同步加速器辐射”。长期以来，同步辐射是不受高能物理学家欢迎的东西，因为它消耗了加速器的能量，阻碍粒子能量的提高。但是，人们很快便了解到同步辐射是具有从远红外到X光范围内的连续光谱、高强度、高度准直、高度极化、特性可精确控制等优异性能的脉冲光源，可以用以开展其它光源无法实现的许多前沿科学技术研究。于是在几乎所有的高能电子加速器上，都建造了“寄生运行”的同步辐射光束线及各种应用同步光的实验装置。同步辐射装置的建造及在其上的研究、应用，经历了三代的发展。

是在世界各国为高能物理研究建造的储存环和加速器上“寄生地”运行的。很快地，不仅物理学家，而且化学家、生物学家、冶金学家、材料科学家、医学家和几 乎所有学科的基础研究及应用研究的专家，都从这个新出现的光源看到巨大的机会。然而， 在对储存环性能的要求上，同步辐射的用户与高能物理学家的观点是矛盾的，表现于主要是 由电子束的发射度所决定的同步辐射的亮度上。它使同步辐射的用户们要求建造专门为同步 辐射的应用而设计的第二代同步光源。发射度由第一代装置的几百nm.rad降低到第二代同步光源的50－150nm.rad。

第二代同步辐射装置对科学技术研究的巨大推动，促使世界各国政府支持建造新一代具有更 高亮度的第三代同步辐射光源。第三代同步辐射光源的储存环的发射度一般为10nm.rad量级 ，并籍助于安装大量的插入件(波荡器和扭摆器)，产生准相干的同步辐射光，这不但使光谱的耀度再提高了几个数量级，而且可以灵活地选择光子的能量和偏振性。

亮度比最亮的第二代光源至少高100倍，比通常实验室用的最好的X光源要亮一亿倍以上。它使得同步辐射应用从过去静态的、在较大范围内平均的手段扩展为空间分辨的和时间分辨的手段，这就为众多的学科和广泛的技术应用领域带来前所未有的新机遇。日本的SPring-8是世界上能量最高的同步辐射光源，达到8GeV。我国台湾的国家同步辐射中心所拥有的大型粒子加速器及同步辐射装置是亚洲第一座第三代同步辐射光源。

同步辐射强度高、覆盖的频谱范围广，可以任意选择所需要的波长且连续可调，因此成为科学研究的一种新光源。

同步辐射具有诸多优良特性，使其成为蛋白质结构研究不可替代的研究工具。

高亮度（High-brilliance and flux: extremely intense and high energy ）：同步辐射光源是高强度光源，有很高的辐射功率和功率密度，第三代同步辐射光源的X射线亮度是X光机的上亿倍。

宽波段（ Wide energy spectrum: tunable wavelength ）：同步辐射光的波长覆盖面大，具有从远红外 ^[2]  、可见光、紫外直到X射线范围内的连续光谱，并且能根据使用者的需要获得特定波长的光。

窄脉冲（Very short pulses: nano-second ）：同步辐射光是脉冲光，有优良的脉冲时间结构，其宽度在10^-11~10^-8 秒之间可调，脉冲之间的间隔为几十纳秒至微秒量级，这种特性对“变化过程”的研究非常有用，如化学反应过程、生命过程、材料结构变化过程和环境污染微观过程等。

高准直：同步辐射光的发射集中在以电子运动方向为中心的一个很窄的圆锥内，张角非常小 ^[3]  ，几乎是平行光束，堪与激光媲美，其中能量大于10亿电子伏的电子储存环的辐射光锥张角小于1毫弧度,接近平行光束，小于普通激光束的发射角。

高偏振：同步辐射在电子轨道平面内是完全偏振的光，偏振度达 100%；在轨道平面上下是椭圆偏振；在全部辐射中，水平偏振占75%。从偏转磁铁引出的同步辐射光在电子轨道平面上是完全的线偏振光，此外，可以从特殊设计的插入件得到任意偏振状态的光。

高纯净：同步辐射光是在超高真空(储存环中的真空度为10^-7～10^-9帕)或高真空（10^-4～10^-6帕）的条件中产生的，不存在任何由杂质带来的污染，是非常纯净的光。

可精确预知：同步辐射光的光子通量、角分布和能谱等均可精确计算，因此它可以作为辐射计量，特别是真空紫外到X射线波段计量的标准光源。

其他特性：高度稳定性、高通量、微束径、准相干等。

同步辐射在基础科学、应用科学和工艺学等领域已得到广泛应用：①近代生物学，例如测定蛋白质的结构和蛋白质的分子结构,通过X射线小角散射可研究蛋白质生理活动过程和神经作用过程等的动态变化，通过X射线荧光分析可测定生物样品中原子的种类和含量，灵敏度可达10-9克/克。②固体物理学 ^[4]  ,可用于研究固体的电子状态、固体的结构、激发态寿命及晶体的生长和固体的损坏等动态过程。③表面物理学和表面化学，可用于研究固体的表面性质，如半导体和金属表面的光特性；物质的氧化、催化、腐蚀等过程的表面电子结构和变化。④结构化学，可用于测定原子的配位结构、大分子之间的化学键参数等，如对催化剂、金属酶的结构测定。⑤医学，可用于肿瘤 ^[5]  的诊断和治疗，如测定血液内一些元素的含量、血管造影、诊断人体内各种肿瘤和进行微型手术以除去人体特殊部位的一些异常分子等。⑥光刻技术，由于衍射效应，普遍采用的紫外线光刻的最小线宽约2微米，而同步辐射光近似平行光束,用于光刻时其线宽可降至20埃，使分辨率提高几个数量级；这对计算机、自动控制和光通信技术等意义重大。

事实上，同步辐射光源已经成为生命科学、材料科学、环境科学、物理学、化学、医药学、地质学等学科领域的基础和应用研究的一种最先进的、不可替代的工具，并且在电子工业、医药工业、石油工业、化学工业、生物工程和微细加工工业等方面具有重要而广泛的应用。

· 生物大分子晶体学–Macromolecular crystallography (MX)

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