同步輻射歷史及現狀

|作者：冼鼎昌

(中國科學院高能物理研究所)

本文發表於《物理》2013年第6期

■推薦理由

這篇文章是對同步輻射由淺入深，由歷史到現實的回顧，記錄了中國同步輻射領域科學家的奮鬥歷史。

1947年，位於美國紐約州Schenectady 的通用電氣公司實驗室(GE lab) 在調試新建成的一臺70 MeV 電子同步加速器時，看到一種強烈的光輻射，從此這種輻射便被稱為「同步加速器輻射」(synchrotron radiation)，在中國的文獻中簡稱為「同步輻射」。同步輻射是速度接近光速的帶電粒子在磁場中做變速運動時放出的電磁輻射，一些理論物理學家早些時候曾經預言過這種輻射的存在。這些預言，大多是針對其負面效應而作出的。以加速電子為例，建造加速器令電子在其中運行，通過磁場增加電子的速度，從而得到高能量，視為正面效應；然而在加速器中轉圈運行的電子一定要放出輻射，從而丟失能量，視為負面效應。通過得失的平衡，給出了加速器提速的限制。縱觀當年與加速器有關的研究論文題目，大多冠以《論感應電子加速器的能量獲得極限》之類的標題，還推算出這個極限是500 MeV。好在沒過多久，蘇聯和美國加速器物理學家Veksler 和McMillan 先後獨立地提出了新的同步加速器原理，總算突破了這個「限速關」。通用電氣實驗室建造的那臺機器，就是美國人為了檢驗新原理而建造的。

同步輻射是加速器物理學家發現的，但最初它並不受歡迎，因為建造加速器的目的在於使粒子得到更高的能量，而它卻把粒子獲得的能量以更高的速率輻射掉(電子每繞加速器一圈輻射掉的能量正比於電子能量的4次方，即能量越高的電子輻射損失越快)，它只作為一種不可避免的現實被加速器物理學家和高能物理學家接受。不過固體物理學家對這種輻射相當感興趣，即使在發現同步輻射的早期，就已經有人在構思它在非核物理中可能的重要應用，但真正恢復名譽還要再等十年。

1956年，Tamboulian 與Hartman 對康奈爾大學的300 MeV電子同步加速器產生的同步輻射性質進行了研究，如同理論所預期的那樣，該加速器發出的同步輻射最豐富的光譜範圍在真空紫外(VUV)光波段，對光譜及角分佈的實驗測量結果與理論預期完全吻合，他們還測量了同步輻射在鈹及鋁上的吸收譜，測得Be—K及Al—L2，3 的不連續譜線。他們的工作是同步輻射早期應用的先行性工作之一。也就在這個時候，在莫斯科Lebedev 研究所的250 MeV加速器上也開展了類似的先行性工作。

1963年， Madden和Codling沿華盛頓美國國家標準局(NBS)的180 MeV電子同步加速器中一處電子軌道的切線方向引出了同步輻射，以研究它作為真空紫外波段標準光源的可行性，並首次用它來進行原子光譜學的研究。結果表明，輻射性質完全與理論計算相符，完全可以作為標準VUV光源。他們把輻射中最為豐富的真空紫外連續光譜部分(16.5—27.5 nm)作為連續背景源用於氦的吸收譜研究，觀察到許多此前沒有觀測到的自電離態，它們比氦的第一激發限(24.6 eV)要高35 eV以上，由這些雙電子同時激發的態與背景光源相互作用時間非常短，只能用同步輻射作為光源才能得到它們的吸收譜，可見此加速器是一個理想的真空紫外光源。他們的實驗結果澄清了關於氦原子雙電子激發理論計算的分歧，並證實了近十年前中國物理學家吳大猷和馬仕俊在這方面的理論工作的正確性。Madden 和Codling的工作被認為是走向系統應用同步輻射的巨大推動，直至今日，這些惰性氣體內殼層雙電子激發態仍然是研究電子—電子關聯的重要實驗手段。

大概也就在這個時候，一組日本物理學家應用東京大學原子核研究所的750 MeV 電子同步加速器，以軟X射線(SX)區域的輻射作為連續背景，進行KCl 和NaCl 的Cl—L2，3 吸收譜研究，在氯的2p 電子激發閾附近，觀察到由芯激子形成而產生的尖銳吸收譜線。他們還得到一系列金屬和合金(Be，Al，Sb，Bi，Al—Mg)的軟X 射線波段的吸收譜。他們的工作是同步輻射應用於固體物理研究的開端。

受到這些先行性工作的鼓舞，人們在世界各地的電子同步加速器上，嘗試進行了大量VUV—SX波段的吸收譜學實驗研究，得到許多令人振奮的結果，而且把這種方法迅速應用到物理和化學以及與原子、分子、固體等有關的許多領域中。直到今天，同步輻射仍然是從真空紫外至軟X射線波段中最強的連續光源。由於早期的電子同步加速器的能量較低，由加速器彎轉磁鐵產生的同步輻射的實用波長限於VUV—SX波段範圍，較高通量的同步輻射X射線的產生要等到能量為幾個吉電子伏量級的電子加速器建成之後。1965年，德國漢堡的5 GeV電子同步加速器(DESY)建成，那時人們認為對DESY提供的X射線波段同步輻射的性質與理論預言完全一致是理所當然的，從此在較高能量的加速器上使用X射線波段同步輻射的研究也就開始了。

這樣，從20世紀60年代中葉開始，在世界各地能量較高的電子同步加速器上，普遍地開展了同步輻射的應用研究，形成了同步輻射研究的第一波熱潮。同步輻射的優異性質，使分處在十分廣泛領域中的眾多科技工作者看到一個巨大的機會，越來越多的研究人員成為使用同步輻射進行他們本學科研究的使用者。由於這些研究都是在電子同步加速器上進行高能物理實驗時一種不可避免的負面產物的應用，所以有相當一段時間被稱為寄生(parasitic)應用，加速器的這種產生同步輻射的運行模式也就稱為寄生模式，從字面上就可以知道，此稱謂是不無貶義的。後來人們把這些在做高能物理實驗時引出同步輻射以供使用者應用的加速器稱為第一代同步輻射光源。

把同步輻射應用推向一個新階段的事件是20世紀60年代儲存環的建成。儲存環本來是為高能物理研究而發展起來的設備，傳統的高能物理實驗是通過用加速到高能量的粒子轟擊固定靶的方法來產生新粒子和探索微觀世界的新現象，但是這種實驗模式在能量方面看是低效的，因為只有入射粒子和靶粒子二者質心繫的能量才是它們相互作用的有效能量，對於質量為m的靜止靶粒子，雖然入射粒子被加速到很高的能量E，但在質心繫中發生碰撞的系統能量正比於(mE)^1/2，即有用能量只佔加速器達到的能量E 的小部分。1956年，Kerst 等以及O’Neill 建議用具有高能量的入射粒子束和靶粒子束的對撞來克服這個缺點。這種想法的可行性在20世紀60年代初隨著儲存環的建成得到證實，從此，對撞機在高能物理實驗中開闢了一個新方向，發揮了十分重大的作用。儲存環的出現，也迅速引起了廣大科學技術領域中為數眾多的使用同步輻射的研究群體的注意，它提供的相當穩定的電子束流和在各個頻段上可調可控的同步光譜分佈以及超高真空的工作環境，使人們看到一個十分有利的、能夠推進他們的科研應用的先進光源——專用同步輻射光源的前景。

日本東京大學第一個專為產生同步輻射用的400 MeV儲存環的建成，推動了在世界各地建造新一輪專用同步光源、成立同步輻射應用中心的熱潮。這些新中心的儲存環或者是由退役的高能加速器改造而成，或者是為最佳化同步輻射的產生和實驗特點而索性從頭開始設計和建造的。從加速器的觀點看來，在最佳化光源方面，當時最重大的進展是1976年提出的以低電子束發射度得到高同步光亮度的磁鐵聚焦結構(chasman-green lattice)。這些同步輻射中心的建成標誌著同步輻射專用運行時代的到來。它們被稱為專用同步輻射設施或第二代同步輻射設施，而把依附於高能物理實驗運行的設施稱為第一代同步輻射設施。第一代同步輻射設施大多建於1965—1975年，而第二代同步輻射設施則大多建於1975—1990年。這個潮流的出現，有兩個突出的背景：一是同步輻射使用者群在各個學科領域中迅速成長，他們對機時的要求很快就超出在高能物理中心裡「寄生」運行的設施所能提供的能力；二是同步輻射先進手段的迅速普及，其使用者來自空前廣泛的科技領域，從理工科的基礎研究單位到應用研究部門，甚至到工業的研究開發和質量控制部門，其影響之大在當代大科學裝置中是首屈一指的。由於有如此廣泛眾多的應用群體的參加，同步輻射光源很快就成為多學科融合與相互滲透的大平臺，這正是適應當代科技發展規律所要求的，故很快就為各發達國家科技規劃部門所認識，並予以大力支持。許多第二代光源建造在已有的國立研究中心的近旁，如美國Brookhaven 的國立同步輻射光源(NSLS)(見圖1)、英國Daresbury 的同步輻射光源(SRS)、日本筑波的光子工廠(PF)等。

圖1 第二代專用同步輻射裝置在上世紀80 年代初建成

逐漸地，即使在第一代光源上，和高能物理學家一同使用加速器中的同步輻射產物的群體，在人數和領域廣度都超過嘲笑同步輻射是一種寄生學科的人們及其群體，「寄生」一詞更顯不妥，於是有人採用了「共生」(symbiotic)一詞。這兩個詞都來自生物學，當初引用「寄生」一詞的人對20年後同步輻射裝置上發展出今日的局面想必有始料不及之感吧！

在第二代同步輻射光源發展的同時，插入件磁鐵的研製有著重大的進展。所謂插入件磁鐵，簡稱插入件，是一些極性在空間有周期性變化的磁體元件，這些元件裝置在儲存環的直線段中，電子在經過時走的路徑是與磁場垂直的正弦形軌跡，只要在直線段中插入件的磁場積分為零，在該直線段之外電子的理想軌道將不受到影響。插入件技術的發展及應用，使同步輻射光源的發射度可以建造得非常小，不但得到束流長期穩定、亮度十分高的同步光，而且在偏振、相干性方面都有很優越的品質。從20世紀90年代開始，出現了新一代大量使用插入件的新光源——第三代同步輻射光源，如在Grenoble 的歐洲同步輻射光源上就裝置了三十幾條插入件光束線，在日本的Spring-8同步輻射光源上裝置了近40條插入件光束線。到90年代中期，全世界已建成以及在建中的同步輻射研究中心約有55個，十多年過去，還是差不多這個數目，這是因為退役與改造、新建的裝置數目大致達到平衡。這些同步輻射研究中心的地理分佈集中在歐洲(見圖2)、亞洲及北美洲。在中國現在共有4個：1991年開始運行的北京光源(BSRF)屬第一代同步輻射光源(見圖3)；1992年開始運行的合肥光源(NSRL)屬第二代同步輻射光源(見圖4)；1994年建成的台灣光源(SSRC)(見圖5)以及2007年開始運行的上海光源(SSRF)(見圖6)屬第三代同步輻射光源。

圖2 歐洲同步輻射研究中心(第三代)

圖3 1991年開始運行的北京光源(BSRF)

圖4 1992年開始運行的合肥光源(NSRL)

圖5 1994年建成的台灣光源(SSRC)

圖6 2007年開始運行的上海光源(SSRF)

自同步輻射面世以來，同步輻射中心一直具有使用者群體急劇增加、工作領域迅速開拓的特色。一方面，同步輻射平臺的先進手段幫助使用者開拓新的工作前沿；另一方面，使用者專家又會對同步輻射平臺在光源品質、實驗方法、束線更新等方面未來的發展提出方向性的建議與要求，促進平臺工作能力水平的提高。這兩個方面都是以很高的速度進行的。因此，由麥振洪等編著的、於2013年由科學出版社出版的《同步輻射光源及其應用》一書在這兩個方面兼具檢索性與引導性，再加上該書是由使用者專家與光源裝置專家密切合作共同撰寫的，因此是一件具有高度戰略意義的事。首先，它將幫助同步輻射光源應用方面的眾多高手掌握這種先進的手段，以用於他們從事的研究，因而具有重要的參考價值；其次，對於有志進入同步輻射應用領域的年輕人來說，該書將引導他們穿過浩如煙海的文獻，儘快地進入這個領域；第三，該書還總結了使用者就同步輻射平臺在實驗裝置(instrumentation)與方法學(methodology)上提出的需求和建議，這將更有力地促進同步輻射平臺不斷發展與創新。