同步輻射

　　高能粒子特別是高能電子，在磁場中作迴旋運動時，沿切線方向發出的一種光輻射，又稱同步加速器輻射。同步輻射是一種用途廣泛的強光源。（見輻射）

　　概述　根據電動力學理論，帶電粒子作加速運動時，會以電磁波的形式輻射能量。20世紀40年代，人們觀察到電子在電子同步加速器中作迴旋運動時發出輻射的現象。由於當時加速器的能量很低，釋放出來的同步輻射的能量和強度也都比較低，所以沒有什麼實際用途。隨著著電子同步加速器能量的提高，這種輻射也就增強。在電子同步加速器中，同步輻射強度與電子能量的四次方成正比，並與加速器半徑的平方成反比。顯然，同步輻射對進一步提高這種類型的加速器的能量是一個不利因素。然而這種不利因素卻為人們提供瞭一種具有重要應用價值的新型光源。

　　1961年美國國傢標準局改造瞭它的1.8億電子伏的電子同步加速器作同步輻射用，並成功地用同步輻射研究瞭氣體的吸收光譜，從而在國際上引起使用同步輻射的興趣。隨後，意大利、聯邦德國、蘇聯和瑞典等國也相繼開展瞭同步輻射的應用研究。

　　裝置　產生同步輻射的設備有兩種：①對於高能物理實驗來講，能量過低的“退役”的加速器；②專門用於產生同步輻射的電子加速器或電子儲存環，電子儲存環是一種較長時間（從幾小時到幾十小時）儲存並積累高能量電子，以便實現對撞的環形裝置，又稱為光子工廠。

　　特性　與一般光源相比，同步輻射光源有如下特點：①光譜連續且范圍寬，由於同步輻射是非束縛態電子的輻射，所以它的光譜是連續的，從遠紅外、可見光、紫外直到硬X射線（10⁴～10^-1埃)。②輻射強度高，在真空紫外和X射線波段，能提供比常規 X射線管強度高10³～10⁶倍的光源，相當於幾平方毫米面積上有100千瓦的能流。③高度偏振，同步輻射在電子軌道平面內是完全偏振的光，偏振度達100％；在軌道平面上下是橢圓偏振；在全部輻射中，水平偏振占75％。④具有脈沖時間結構，同步輻射是一種脈沖光，脈沖寬度為0.1～1納秒，脈沖間隔為微秒量級（單束團工作）或幾納秒到幾百納秒范圍內可調（多束團工作）。⑤高度準直，能量大於10億電子伏的電子儲存環的輻射光錐張角小於1毫弧度，接近平行光束，小於普通激光束的發射角。⑥潔凈的高真空環境，由於同步輻射是在超高真空(儲存環中的真空度為10^-7～10^-9帕)或高真空（10^-4～10^-6帕）的條件下產生的，不存在普通光源中的電極濺射等幹擾，是非常潔凈的光源。⑦波譜可準確計算，其強度、角分佈和能量分佈都可以精確計算。

　　應用　同步輻射在基礎科學、應用科學和工藝學等領域已得到廣泛應用：①近代生物學，例如測定蛋白質的結構和蛋白質的分子結構，通過X射線小角散射可研究蛋白質生理活動過程和神經作用過程等的動態變化，通過 X射線熒光分析可測定生物樣品中原子的種類和含量，靈敏度可達10^-9克／克。②固體物理學，可用於研究固體的電子狀態、固體的結構、激發態壽命及晶體的生長和固體的損壞等動態過程。③表面物理學和表面化學，可用於研究固體的表面性質，如半導體和金屬表面的光特性；物質的氧化、催化、腐蝕等過程的表面電子結構和變化。④結構化學，可用於測定原子的配位結構、大分子之間的化學鍵參數等，如對催化劑、金屬酶的結構測定。⑤醫學，可用於腫瘤的診斷和治療，如測定血液內一些元素的含量、血管造影、診斷人體內各種腫瘤和進行微型手術以除去人體特殊部位的一些異常分子等。⑥光刻技術，由於衍射效應，普遍采用的紫外線光刻的最小線寬約2微米，而同步輻射光近似平行光束，用於光刻時其線寬可降至20埃，使分辨率提高幾個數量級；這對計算機、自動控制和光通信技術等意義重大。

　　

參考書目

　H.Winick，Synchrotron Radiation，Plenum Press，New York，1985.