北京同步輻射裝置

同步輻射光源是在同步輻射加速器中產生的高強度光源，是高能帶電粒子加速運動產生的副產物 ^[1]  。

BSRF有兩種運行模式：兼用或專用模式，兼用模式用於高能物理對撞實驗，同時也提供同步輻射光；專用模式專用於同步輻射研究。兩種模式下的BEPC的主要參數列於下表：

光是一種電磁波，也是一種粒子，叫做光子。可以用波長或者頻率表徵光波，也可以用能量表徵光波。光的波長可從10-14釐米到10-16釐米，相應於光子的能量為100電子伏到10E12電子伏。波長越短，能量越高 ^[2]  。

在雨中快速轉動雨傘時，沿傘邊緣的切線方向會飛出一簇簇水珠。利用彎轉磁鐵可以強迫高能電子束團在環形的同步加速器以接近於光速作迴旋運動，在切線方向會有電磁波發射出來。

接近光速運動着的電子或正電子在改變運動方向時放出的電磁波叫做輻射波，因為這一現象是在同步加速器上發現的，所以稱為同步輻射。這種電子的自發輻射，強度高、覆蓋的頻譜範圍廣，可以任意選擇所需要的波長且連續可調，因此成為一種科學研究的新光源。

同步輻射是速度接近光速的帶電粒子在作曲線運動時沿切線方向發出的電磁輻射——也叫同步光。這種光是1947年在美國通用電器公司的一台70Mev的同步加速器中首次觀察到的，因此被命名為同步輻射。

如用X光機拍攝一幅晶體缺陷照片，通常需要7-15天的感光時間，而利用同步輻射光源只需要十幾秒或幾分鐘，工作效率提高了幾倍。高亮度的特性決定了同步輻射光源可以用來做許多常規光源所無法進行的工作。

同步輻射從紅外線、可見光、真空紫外、軟X射線一直延伸到硬X射線，是目前唯一能覆蓋這樣寬的頻譜範圍又能得到高亮度的光源。利用單色器可以隨意選擇所需要的波長，進行單色光的實驗。

利用同步輻射光學元件引出的同步輻射廣源具有高度的準直性，經過聚焦，可大大提高光的亮度，可進行極小樣品和材料中微量元素的研究。

同步輻射光是由與儲存環中週期運動的電子束團輻射發出的，具有納秒至微秒的時間脈衝結構。利用這種特性，可研究與時間有關的化學反應、物理激發過程、生物細胞的變化等。

與可見光一樣，儲存環發出的同步輻射光根據觀察者的角度可具有線偏振性或圓偏振性，可用來研究樣品中特定參數的取向問題。

同步輻射的電子加速器可使高能電子加速到Mev乃至Gev的能量範圍，主要有以下幾種類型：

加速電子（或其它帶電粒子）到高速度、高能量的簡單且直接的方法是高壓型加速，增大加速電壓就能使電子加速到很高的速度或能量，這種加速過程需要在高真空或超高真空條件中進行。對於電子，其帶電量為一個電子電菏e，如要將電子加速到幾十Kev的能量就要用幾十KV的電壓，以此類推，在更高的電壓條件下，為避免高壓擊穿須採用強烈的電感應來加速，而且必須在合適的相位範圍內使相位相同，否則不僅不能加速還會減速。這種用高頻高電壓加速的粒子流在時間上是一段一段的，脈衝式的，是很窄的粒子流，成為一個個束團。為了利用高電壓來加速，人們把多箇中空的金屬筒有間隙的排列在一條直線上，並將高壓高頻交流電源間隔的耦合到各個圓筒上，各個圓筒之間存在高電壓，相位輪流相反，電子在圓筒之間被加速。

如果要用直線加速器得到很高的電子能量，整個加速器要做的很長，很不經濟。到了20世紀20年代，迴旋加速器（cyclotron）和電子感應（betatron）相繼發明，有了把電子加速到極高能量的可能。迴旋加速器是利用高頻感應電壓給電子加速增能和用磁場使帶電粒子做繞圈運動這兩種作用建立起來的。電子在圓形環中運動，在加速間隙得到加速，所運行的軌道半徑也一步一步增加，以達到加速增能的目的。

電子感應加速器是利用電子繞圈內的磁通變化所感應出的電場來加速電子。電子手約束磁場的作用基本以不變的半徑繞圓圈，每繞一圈就加速一回，由於電子的速度很快，在不長的時間內繞的圈數很多，故能夠得到很高的能量。

1945年 McMillan和Veksler發明了同步加速裝置。同步加速器由許多C型磁鐵環狀排列而成，在磁鐵中部安裝了環型真空盒，在環的某一段安裝了高頻高壓加速器，電子就在真空盒內，在磁鐵的作用下做環狀運動，經過高頻時得到加速。為使加速後的電子仍以相同的半徑作環形運動，就要改變同步C形磁鐵造成的約束磁場，這就是同步加速器的由來。到了20世紀70年代中期，人們進一步認識到在高能物理中用於對撞實驗的電子存儲環來發生同步輻射更合適，因為電子在存儲環中以一定的能量作穩定的迴環運動，這與同步加速器中的電子的能量不斷改變的情況不同，因而能長時間的穩定的發出同步輻射光。隨着電子存儲環能量的提高，所得同步輻射的波長不斷縮短，從紫外線或軟X射線一直擴展到硬X射線。

同步輻射較之常規光源有許多優點。比如它頻譜寬，從紅外一直到硬X射線，是一個包括各種波長光的綜合光源，可以從其中得到任何所需波長的光；其中最突出的優點是亮度大，對第一代光源，亮度可達10E14~10E15，比之轉靶X射線發生器的特徵譜的亮度10E11高出三四個數量級。高亮度的光強可以做空前的高分辨率（空間分辨，角分辨，能量分辨，時間分辨）的實驗，這些都是用常規光源無法完成的的，還有同步輻射發散角小，光線是近平行的，其利用率，分辨率均大大提高；另外還有時間結構、偏振特性，有一定的相干性和可準確計算等等。正因為有以上各種優點，它在科學、技術、醫學等眾多方面解決了一批常規實驗室無法解決的問題，做出了重大貢獻，世界各國特別是發達國家對此都十分重視，紛紛建立了自己的同步輻射實驗中心。

世界上部分同步輻射裝置：

另外還有印度、巴西、西班牙、加拿大、荷蘭、瑞士、泰國、新加坡等國家均建有同步輻射光源實驗室。

同步輻射是在1947年首次觀察到的，但對同步輻射的研究與認識並非從此開始，對於這種高速運動的電子的速度改變時會發出輻射的現象早就被人們所認識並經歷了長期的理論研究，但要從實驗上觀察到這種輻射卻不是一件容易的事，需要有以近光速運動的高能量電子，電子加速器的發展成為獲得同步輻射的技術基礎。

我國的同步輻射事業是從20世紀70年代末北京正負電子對撞機（BEPC）的建造開始的，起初是為高能物理研究而設計的，在1984年的一期工程期間決定一機兩用，同時開展同步輻射的應用，這是第一代的同步輻射裝置，稱為北京同步輻射裝置（BSRF）。BSRF於90年代初建成，它是電子能量為2.2Gev的中能環，產生硬X射線，建設了一些使用硬X射線的實驗站，如X射線吸收光譜，熒光光譜，衍射，白光形貌，小角散射，漫散射站等，另外包括光電子能譜，光刻站，軟X射線譜站等，經多年發展還建造了高壓站，計量標準站等，最近正在建造並已部分完成了生物大分子、中能X光站，並進行了部分線站的調整和重建，出色地完成了一批實驗室設備不能完成的工作。但缺點是因為要進行高能物理實驗，不能按同步輻射的要求進行運轉，而且實驗機時受很大限制，一年只有3個月左右的用光時間，遠不能滿足用户的需求。中國科技大學提出並在1983年獲國家批准建設一台800Mev的低能第二代同步輻射源開始的。此裝置不能產生硬X射線，是一個VUV環。該裝置於20世紀90年代初建成，稱為國家同步輻射實驗室（NSRL）。1992年開始為用户服務，有光電子能譜，光化學，光刻，軟X射線譜及時間分辨五個實驗站。1999年成功安裝運轉了一台6T的扭擺器，可以發生最短到0.1nm的硬X射線衍射站，建成後將大大提高該裝置的實驗能力。但由於是低能環，硬X實驗站不多，有侷限性，目前正在進行二期工程擴建。因為北京和合肥的同步輻射裝置都各有自己的缺點，中央和上海市政府準備在上海市建一個第三代的同步輻射裝置，能量高達3.5Gev，可達到世界先進水平。我國除上述裝置以外，在台灣新竹還建有一個低能的1.3Gev的第三代同步輻射裝置。

在當代的科技發展中，學科交叉與科學-技術在新的層次上的結合佔有越來越重要的地位，導致了許多重大的突破和新的科研領域的誕生。前者可以生物-醫學科學的一些重要發展（如DNA的雙螺旋結構）為例，而掃描隧道顯微鏡則是後者的一個很好的例子。可以預期，學科間高度的交叉與融合將是下一個世紀科技發展的特徵。如果對此沒有充分的認識，那將會嚴重影響我國下一世紀的科技發展。以下我將以同步輻射在生物-醫學科學中的應用作為例子來説明這點 ^[3]  。

在世界上過去二十多年中發展起來的同步輻射中心提供了一個多學科交叉與科學-技術結合的自然的場合。例如，在這裏，生物-醫學科學家已經成功地開闢了許多新的領域：生物分子及蛋白晶體的結構分析、活的生物體在器官、細胞、細胞核以及分子水平上的結構分析、藥物篩選、非插入的雙色數字減除法心血管造影，在活的細胞中化學元素的三維拓撲構像等。這些都是生物-醫學家和物理學家、化學家、計算機科學家與工程師緊密合作的成果。目前世界各國正在大力發展的第三代同步輻射光源的出現，使得這些領域從基本上是靜態的、結構的研究開拓到動態的、功能性的研究成為可能。而這些方面將會是下一個世紀的生物-醫學科學的研究重心。這樣就出現了一個在以前難以想象的現象，就是在一些結構生物學研究中心裏，非生物背景的研究人員的數目不下於有着生物背景的。在一些新建成的同步輻射中心裏，來自生物界的研究申請佔首位，但是在最初，生物-醫學科學家卻是不習慣於離開他們自己的實驗室到像同步輻射中心那樣的多學科交叉的環境中工作的。這種中心的先進的工作條件及其獨特的工作環境的重要性，將在下一世紀的科技發展中會越來越明顯地為人們所認識。

同步輻射在工業生產領域中帶來了一個巨大的新機遇：微機械的大規模的加工技術——LIGA技術。

高科技的發展，已經把微機械加工提到日程上。例如，光纖光纜通訊技術的發展，要求能夠由工業大批量生產具有微結構的光纖芯耦合器，以取代目前手工或半手工的操作。這種工業就屬於微機械加工業。

現代的微機械加工是指寬度為幾個到幾十個微米、高度為幾十到幾百微米的機件的加工，它的第一個主要特徵是高寬比（aspect ratio）大，為幾十以上；它的第二個主要特徵是有着生產集光、機、電性能於一體的微系統的潛力。微機械產品正在被應用到越來越廣泛的領域中，例如，微馬達和微照明燈具已被應用於非剖開性的人體內部外科手術，微米結構的同位素分離噴咀已被用於核燃料鈾的富集生產中。目前，微機械加工是一門正在成長的、具有巨大前景的新工業，將會成為下一世紀的一門主要的工業，應當引起我國的高度注意。

當前正在發展的微機械加工技術有多種，但就大規模生產與高度的適應性而言，80年代中在德國發展起來的LIGA技術，在國際上被認為是微機械加工的一個最有前景的新方向。

LIGA是德文Lithogrsphie（光刻）、Galvanoformung（電鑄成型）和Abformung（塑鑄成型）三個字的字頭，它由深層同步輻射光刻、電鑄成型及塑鑄成型這三個工藝過程組成。所以準確的名稱為微機械加工的同步輻射深層光刻、電鑄成型與塑鑄成型技術，簡稱為LIGA技術。在原理上LIGA技術與全息記錄的大規模複製（例如，激光唱片生產）有點相仿，第一步是用光刻的方法在光刻膠上刻出微機械或微器件的三維結構，第二步是通過電鑄從光刻膠三維結構上產生金屬母模，第三步是用母模通過電鑄或塑鑄方法複製許多金屬的或其它材料的生產用模，最後一步是用生產用模作大規模複製。

LIGA技術中的光刻工藝與微電子工業所用的光刻工藝是很不相同的。微米級微電子器件的刻蝕深度不大於幾千埃，刻出的結構的高寬比小於1，所以也稱為平面的光刻，所使用的光源的波長在可見光到紫外光的範圍便已足夠。與之對比，LIGA技術中的光刻的深度要到千倍以上，故此也稱為立體的光刻。要增加刻蝕深度，必須使用波長比紫外光短得多的X光。如果要做幾十到幾百微米深度的光刻，所使用的光應是波長在2-10埃之間的X光。

對於深層光刻所使用的X光源的性質，除了波長之外，還有兩個重要的因素，就是光的功率密度和準直性。它應當有足夠大的光功率密度和足夠好的準直性，前者是為了曝光的需要，後者是為了保證製作出來的微機械結構的垂直面具有優異的平行度。目前的軟X光光源，有用輕元素為靶的常規X光源，聚焦激光打靶形成的等離子體產生的軟X光以及同步輻射光源。第一種光源功率小，第二種光源目前達到的波長在100埃以上。兩種光源都屬於點光源，光的準直性都不好，而且兩種光源的功率密度都不足以在合適的時間內使厚的光刻膠層曝光。最適合於深層光刻的光源是同步輻射光源。

目前國際上普遍認為，LIGA技術是大規模微機械加工的一個極重要的方向，有着巨大的發展前景。最新的報道為用LIGA技術生產出可植入人體的微型電機，其直徑只約為1mm，厚度為1.9mm，重量為0.1g，轉速為10萬轉，直徑細如髮絲的齒輪的精度達微米的量級。這是一個説明科學與新技術結合給工業帶來的巨大的新機遇的例子，通過它可以看到下一個世紀科學技術發展的特徵，這就是學科間高度的交叉與融合。對此，不但科學家，而且產業界和規劃人員必須予以高度重視，否則我國科技界將與許多新發明和新發現失之交臂，也無法實現在我國建立起一個有着世界上領先水平的產業界的局面。

20世紀科學發展的一個重要特徵是大科學的出現，而且，大科學設施的規模與建造的投資有越來越大的趨向，絕大多數的大科學設施的建造與運行是由國家支持的。為了得到公眾的支持，一個必須回答的問題是：進行基礎研究的大科學設施，它們對於生產力的發展有何影響？對於多數大科學來説，可以用如圖1所示的線性模式來説明它們的影響，即，在大科學設施上進行的基礎科學研究支持應用基礎的發展，應用基礎的發展最終在工業中的應用將影響生產力的發展。經驗告訴我們，這種影響常常是一個漫長的過程。

如果按計算機的術語説，上面的線性模式是串行輸出的模式的話，相反地，在同步輻射設施上這三類活動是同時進行的，亦即作為大科學裝置的同步輻射設施對基礎科學、應用基礎與工業應用的關係如圖3所示，是並行輸出的。正是由於這個特點，在世界上有條件的國家中，同步輻射設施的建造都得到優先的支持。

我國是否應當建造第三代同步輻射裝置？

在讀了上面的介紹後，回答是當然的：是！因為它是促進下一個世紀科技發展的一個十分重要的手段。

我國是否能夠建造第三代同步輻射裝置？

第三代同步光源對工程技術的要求是苛刻的。以美國伯克萊的ALS為例，在其波盪器裏的電子束的截面是橢圓形的，水平方向的長度是335μm，而垂直方向的長度僅65μm，相當於一根頭髮的直徑。實驗上要求電子束流有很高的穩定性，穩定到其截面尺度的十分之一。反映在安裝精度上，這就要求在安裝在周長近200米的近200個各類的二極、四極等磁鐵的中心對設計位置的偏離小於150μm；對於波盪器的要求更高：在其5米的長度上，每個磁極的位置安裝精度好於20μm，而且這個精度在40噸的磁力作用下仍能保持！其他對磁鐵的加工精度、電源的穩定度、地基的抗振能力、磁場分佈的精度等等的要求，同樣都是相當苛刻的。在這些精度都達到後，還需要有巧妙的電子束流監控系統，隨時監測電子束流的位置並給以必要的校正，以保證束流位置的穩定。

雖然這些技術都是當前的尖端技術，但是都屬於成熟的技術，只要有精密機械加工的保證和在設計、測試、安裝等方面的嚴格把關，這些苛刻的指標都是能夠達到的。所有已經投入運行的5個裝置的建造經驗都證明了這點。我國在建造北京和合肥兩個同步輻射裝置中已經有了一支有實踐經驗的科技隊伍，只要領導得當，有足夠的支持，是完全能夠勝任的。

同步輻射是對科技發展起十分重要作用的一種先進手段，同步輻射中心是獨一無二的為最眾多學科服務的研究中心，是一個各學科交叉、融合的天然場合，其重要性已為世界上廣大的科技界所認識，並得到各國政府的大力支持。改進及提高我國已建成的同步輻射設施的效能，並建造一個最先進的同步輻射中心，將對下一世紀我國高科技發展起關鍵性的推動作用。