同步輻射

有關同步輻射最早的理論研究可以追溯到19世紀後期，這種並未被命名的輻射第一次引起大家的廣泛關注是在盧瑟福提出原子的核式結構模型之後。在經典電磁理論中，電子因庫侖力繞原子核旋轉，高速運動的電子必定因同步輻射而損失能量，這樣其軌道將一直收縮直至與原子核相撞，無法維持原子結構的穩定性。這個疑問直到近代量子力學誕生才得到解釋。

在實驗中，直到20世紀40年代到50年代，同步輻射才作為粒子物理實驗的副產物被人們發現。1947年，研究者在通用電氣公司的一台70 MeV的同步迴旋加速器上首次觀測到了同步輻射。在當時，同步輻射只被作為一種不可避免的負面產物被粒子物理研究者所接受：為了產生新粒子、觀察微觀世界的新現象，粒子物理科學的進步需要建造更大的加速器，以便將粒子加速到更高的能量，但同步輻射將不可避免地導致粒子能量的損失，並且當粒子能量越高時，同步輻射造成的能量損失就越大（正比於相對論性運動粒子能量的四次方）。當年與加速器有關的研究者推算出，考慮同步輻射之後，粒子所能達到的能量極限為500 MeV。好在沒多久，加速器物理學家提出了新的同步加速器原理，突破了這個能量極限。

與粒子物理研究者減少同步輻射以提升粒子能量的需求相反，另一部分研究者希望能夠優化同步輻射光源，以利用這種輻射推動非核物理的研究。同步輻射的應用研究起源於吸收譜，從20世紀60年代開始，研究者在世界各地的電子同步加速器上，進行了大量真空紫外（VUV）到軟X射線（SX）波段吸收譜學實驗的研究，得到了許多讓人振奮的實驗結果，開啓了同步輻射應用研究的第一波熱潮。直到今天，同步輻射仍然是真空紫外到軟X射線波段最強的連續光源。

在這一階段，同步輻射研究是對高能物理實驗負面產物的應用，研究者沒有自己的設備，只能“寄生”於粒子物理學家的加速器進行研究。這種以高能物理實驗為主的兼用光源被稱為第一代同步輻射光源，可以在儲存環或同步加速器上運行，“兼用”包括同時（同步輻射寄生運行）或分時（有同步輻射專用時間）。它們大多建於1965-1975年，其中有不少是已在運行或建造中的、原本用於擔任正負電子對撞機的儲存環，由於形勢的發展，添加了提供同步輻射的功能。由於同步輻射實驗的要求和高能物理實驗的要求並不一致，第一代同步輻射光源應用於同步輻射研究的性能和時間都受到限制。 ^[2] 

我國的北京同步輻射裝置（Beijing Synchrotron Radiation Facility, BSRF）即為依託於北京正負電子對撞機的第一代同步輻射光源，運行在2.5 GeV，有14條光束線和15個實驗站，覆蓋波段較廣，從真空紫外到硬X射線。由於是兼用光源，每年只有約2000小時同步輻射專用機時。^[4]

20世紀60年代，為了提高入射粒子和靶粒子相互作用的能量，以產生新粒子、探索微觀世界的新現象，高能物理研究者提出了用高能量入射粒子束和靶粒子束的對撞取代入射電子轟擊固定靶的想法，這種想法的可行性隨着儲存環建成得到證實。 ^[3] 

存儲環為一種特殊的圓形加速器，可以將粒子儲存起來，保持幾個小時的近光速循環。儲存環主要包括電子源（electron source）、直線加速器（linac）、同步加速器（booster synchrotron）、主環（main ring）和線站（beamline and experiment）五個部分。電子由電子源發射，經過直線加速器加速和同步加速器的加速後，被轉移到主環上。在主環上，這些粒子被加速到接近光速，為了使電子保持在存儲環內的封閉軌道上，在環的路徑上安裝了強大的彎曲和聚焦磁鐵（bending magnets），當電子通過這些彎曲磁鐵時，可以產生同步輻射。 ^[5] 

儲存環提供的相當穩定的電子束流、各頻段可調可控的同步光譜分佈以及超高真空的工作環境使專用同步輻射光源的建設成為可能。另外，由於同步輻射用户羣體在各個學科領域中迅速增長，第一代“寄生”式的同步輻射光源不足以滿足他們對機時的需求。1968年，兩台專門為同步輻射研究服務的電子儲存環投入運行，一台為美國威斯康星（Wisconsin）大學的“大力神”（Tantalus），另一台為日本東京大學的SOR環（Synchrotron-Orbital-Radiation ring），這標誌着同步輻射光源起步階段的結束和大發展階段的開始。人們將這種基於儲存環的專用同步輻射設施稱為第二代同步輻射光源，它們在設計時優化的目標就是充分用好同步輻射，一般有較小的束流截面、較高的流強，能安裝較多的光束線和實驗站，它們大多建於1975-1990年。 ^[3] 

我國合肥的國家同步輻射實驗室（National Synchrotron Radiation Laboratory, NSRL）即為第二代同步輻射光源，運行在800 MeV，其優勢能區為真空紫外和軟X射線波段，每年運行時間超過7000小時，開機率優於99%，為國內外用户提供了40000小時以上的優質機時。 ^[7] 

在第二代同步輻射光源中，在帶電粒子通過主環上的彎鐵時發生同步輻射，它在一個狹窄的輻射錐內從電子軌跡切線向外，張角約為電子靜止能量與其運動能量的比值，即

，彎鐵的輻射光譜非常寬。第三代同步輻射光源則通過插入件的使用獲得了發射度非常小，束流長期穩定，且偏振、相干性方面品質都很優越的同步光。

插入裝置（insertion devices）是一種磁性部件，由極性交替的週期性磁體陣列組成，當電子通過擺動裝置時，它會在每個磁體處改變軌跡，從而進行震盪運動。在每一個震盪週期中，電子在運動方向偏轉時發出輻射，每個週期的輻射疊加後，總的輻射沿着擺動裝置方向出射，從而增加輻射的強度。擺動器（Wigglers）和波動器（Undulators）是使用的兩種主要的插入裝置，兩者只有場強上的區別，工作原理相同。其中，擺動器具有較高的磁場，將得到張角更大、亮度更低的同步輻射，而波動器磁場較小，可以得到張角更小、高亮度的準單色輻射。 ^[5] 

第三代光源的出現，掀起了興建“新光源”的第二波熱潮，從20世紀90年代開始，一直延伸到21世紀初期。在第二波熱潮的初期，同步輻射界公認按照運行電子能量

的高低，可以將同步輻射光源分為兩類，

GeV的高能光源（硬X射線源）和

GeV的中低能光源（真空紫外和軟X射線光源），二者各有分工、相互補充，以保證同步輻射研究能力的有效合理利用。 ^[3] 

我國的台灣光源（Taiwan Light Source Beamlines, TLS）、台灣光子源（Taiwan Photon Source, TPS）和上海同步輻射光源（Shanghai Synchrotron Radiation Facility, SSRF）均為第三代同步輻射光源。其中，上海光源2009年建成，為3.5 GeV的中能第三代同步輻射裝置，具有波長範圍寬、高強度、高亮度、高準直性、高偏振與準相干性、可準確計算、高穩定性等一系列優異的特性。 ^[8]  台灣光源TLS於1994年投入運行，電子束能量為1.5 GeV，TPS則在2015年建成，是更為先進的3 GeV第三代同步輻射光源，其亮度達到了1021 phs/mm2/mrad2/s/0.1%BW，被稱為“亞洲最亮的3 GeV同步輻射光源”。 ^[2] 

第四代同步輻射光源以極高的峯值亮度和高相干性為特徵，同時具備脈衝極短、平均功率高等優點，可能的選型包括：短波長自由電子激光（free electron laser, FEL）、衍射極限儲存環（the diffraction-limited storage ring, DLSR）、能量回收型直線加速器（Energy Recovering Linacs, ERL）和紅外相干光源。其優異的亮度、能量和相干性，使得X射線相干成像等系列全新的實驗方法得以實現，對各學科的前沿研究提供重要的支撐。 ^[9]  全球現已建成3台第四代同步輻射光源，未來5年，預計將再建成近10台。 ^[9] 

HEPS是我國第一台高能量同步輻射光源，其儲存環加速器中的電子束流能量為6 GeV，為中國的第一個高能同步輻射裝置。通過合理優化設計插入件，可產生亮度高於1×1022 phs/(mm2·mrad2·0.1%BW) 量級的世界最高亮度的、能量高達300 keV的同步輻射光，比SSRF的亮度要高出100倍以上。經光束線上的高精度壓彎、單色器、聚焦鏡等一系列精密光學系統分光、準直、聚焦等再加工後，HEPS可提供nm空間分辨、ps時間分辨、meV能量分辨的同步光。 ^[2] 

如今，同步輻射已經成為數量最多的在線運行大型裝置，世界上存在50多個正在建設或運行的光源，分佈於23個國家和地區。 ^[2] 

早在19世紀末，經典電動力學就預言了同步輻射的存在，當時的物理學家用李納-維謝爾（Lienard-Wiechert）推遲勢來分析運動電荷和變化的電流產生的電磁場，進一步根據得到的電磁場計算輻射的功率和角分佈。

為了簡單起見，我們只討論真空中的電磁場。在經典電動力學中，定義矢勢A和標勢φ來描述電磁場，由磁場的無源性引入矢勢A：

將其代入洛倫茲方程組，得到變化電場的表達式，與靜電場不同，該電場加上了磁感應項：

因為在定義中僅僅確定了A的旋度，而電磁場本身對A的散度沒有任何約束，只有旋度的定義時不足以確定矢量場，因此，我們採用規範條件來確定A的散度。在處理輻射問題時，一般使用洛倫茲規範：

將其代入洛倫茲方程組可以得到達朗貝爾方程：

這是非齊次的波動方程，其自由項為電流密度和電荷密度，説明電荷將產生標勢波動，而電流產生矢勢波動。離開電流和電荷的分佈區域後，矢量和標量均以波動的形式在空間中傳播，它們導出的電場和磁場也將以波動的形式在空間中傳播。需要注意的是，電場和磁場的分佈與規範的選擇無關。

將電荷和電流的分佈代入達朗貝爾方程求解電磁場，得到對於一般隨時間變化的電荷分佈

所激發的標勢為：

其中，r為發光點

到觀察點

的距離。同理，變化電流所激發的矢勢分佈為：

説明空間某點

處t時刻的電磁場由較早時刻

在位置

處的電荷電流分佈決定，即電荷產生的物理作用不能立即傳至場點，電磁作用需要一定的傳播時間。這個矢勢和標勢被稱為推遲勢。

將計算得到的推遲勢代回其定義式中，可以得到運動電荷所產生的電場和磁場分佈。考慮最簡單的情況，對於單個電子運動，可以計算得到它發出的電磁場為：

其中，n為發光點指向觀察點方向的單位向量，β 為用光速c歸一化後帶電粒子的速度，γ 為洛倫茲變化因子，為推遲因子

，下標t^* 表示有關量在t^* 時刻即推遲時刻的取值。

該電磁場可以分為兩個部分：第一部分為近場，僅僅與電荷運動的速度有關，因為其大小和發光點到觀察點的距離r的平方成正比，該項不向遠處產生輻射；第二部分為遠場，與電荷加速度有關，是電磁輻射的來源。當帶電粒子勻速直線運動，第二部分為零，它的電磁場不產生輻射，這種電磁場的波印廷矢量包裹着電荷並隨之向前飛行，不向遠處發射能量；當帶電粒子受外力作用而減速時發出軔致輻射；當粒子低速往復運動時，發出振盪電荷的輻射；當電子以近光速運動、加速度方向與速度方向基本垂直、電子速度方向變化而大小基本不變時，發出同步輻射。

同步輻射涵蓋了電磁波譜中廣泛的波長範圍，因同步輻射源而異，一般包含紅外線、可見光、紫外線和X射線。其中，硬X射線的波長約為0.1 nm，約為原子尺寸，對與原子尺度上物質和材料的研究至關重要。 ^{[2]  [4]}  並且，同步輻射發出的光譜具有“連續”和“平滑”的特徵，即光譜中既沒有下凹的斷點，也沒有凸起的特徵峯。可根據需要，利用單色器選取一定波長和帶寬的單色光進行單色光實驗，這稱為同步輻射波長的可調性（tunability），特別適合開展針對特定波長的光與物質相互作用研究（如吸收譜）和連續改變波長進行掃描的譜學研究。 ^[3] 

同步輻射的發散角小，光線幾乎是平行的，宜於遠距離傳輸和開展對光的入射角一致性有要求的用光實驗。 ^[2-3] 

由於單個電子同步輻射發出的瞬時功率正比於洛倫茲因子 γ 的四次冪，而相對論性粒子的 γ 遠大於1，所以同步輻射源有相當可觀的功率。 ^[3] 

同步輻射的亮度指輻射能量的集中程度，採用最多的定義為光子的六維相空間峯值密度：光子數/（時間×0.1%的帶寬×光源面積×立體角）。與常規X光機產生的X光相比，同步輻射光的亮度高出約4-14個量級，更高的亮度意味着可以在空間、能量、時間等維度上獲得更好的分辨能力和更高的實驗效率。對於物質結構探針——X射線而言，更高的亮度則意味着能將物質內部的微觀結構“看”得更清楚，因此，獲得更高亮度的X射線源一直是科學技術人員孜孜不倦追求的目標。 ^[2-3] 

同步輻射具有天然的偏振性，其電矢量的振動主要在與彎轉軌道平面平行的方向上，偏振度依賴於光線與該平面的交角，同時也是波長的函數。對於整個頻譜，平行分量佔總輻射功率的87.5%。對於單色光，光子能量越高，平行分量佔的比重越大，偏振度越高。輻射的偏振性對樣品的各向異性研究起至關重要的作用。 ^[3] 

電子因同步輻射損失的能量需要通過高頻加速電場補充，該電場的強度隨時間週期性變化，將電子束分割為若干個不連續的束團，因此，產生的同步輻射也是脈衝的，脈衝寬度等於單個束團的長度，脈衝間隔則等於相鄰束團之間的距離，具有時間分辨。脈衝性的時間結構使同步輻射特別適宜於對某些動態過程進行研究。 ^[2-3] 

同步輻射的電子束處於超高真空環境中，光束不必穿過隔窗和氣體，對於容易被空氣吸收的真空紫外能段有重要意義。 ^[3] 

同步輻射的發光機制只涉及高能電子在磁場中的運動，完全由基本物理規律主宰，無需考慮諸如介質密度漲落、化學純度、温度分佈等一系列難以精確測定的因素，其光子通量的光譜分佈、偏振性和角分佈等特性都可以用公式計算。這一優點使同步輻射源可以作為覆蓋寬闊頻段的標準光源，對其它光源和探測器進行校準。 ^[3] 

除了可以在實驗室中產生，一些天體現象中也觀察到同步輻射，輻射波長從無線電波到 γ 射線，可以產生於中子星和脈衝星、矮星、行星、星系、星際物質和宇宙源。 ^[12]  例如，“超新星爆發”現象就與同步輻射息息相關：當質量足夠大的天體演化到衰亡階段時，將向其中心坍陷，同時噴射出大量高速電荷，周圍存在的極強的磁場將改變高速運動電荷的運動方向並向遠方發出極強的同步輻射，光輝奪目。超新星爆發結束後，該恆星將形成一個緻密的內核（中子星）和外圍的雲狀瀰漫物質，該瀰漫物質體積龐大並不斷膨脹，而這個體系內部存在極強的磁場約束着高速運動的電荷，成為太空中長期存在的同步輻射源。 ^[3]