同步辐射是什么？有何作用？

同步辐射是速度接近光速的带电粒子在磁场中沿弧形轨道运动时(受到径向的加速度，v⊥a)，沿着偏转轨道切线方向发射连续谱的电磁波。由于是1947年在美国通用电气公司的一个电子同步加速器中意外发现的，因此命名为同步辐射。

1895年11月8日，德国科学家伦琴发现X射线，从此科学领域多了一种行之有效的研究手段，对20世纪以来的整个科学技术的发展产生了巨大而深远的影响。

目前的X射线吸收谱学应用在许多方面，比如结构表征及性能研究。最常用的X射线谱来源于X射线管，即高能电子束轰击靶材产生X射线。而同步辐射X高能射线的表征具有更精确、更微观、更高效的特点，可以实现在关键部位下的无损应力测量和原位表征，从而在生命科学、材料科学、物理、化学、医学等领域应用广泛。

02 为什么要用同步辐射?

同步辐射具有以下特点：

(1) 高准直、方向性强

同步辐射光的发散集中在一电子运动方向为中心的一个很窄的圆锥内，张角非常小，几乎是平行的。

(2) 宽波段、连续可调

同步辐射是一个联系可调的波谱，从红外到几千KeV能量的硬X射线均有分布。可根据需要，利用单色器选取不同波长的单色光。

(3) 高亮度、通量大

同步辐射光源与旋转阳极X射线管相比，亮度高了5-10个数量级。除了具有波长连续可调的优势，还可以用更少的样品在更短的时间内获得更好的信号，另外具有更高的能量分辨率和空间分辨率。第三代同步辐射光源的X射线亮度是X光机的上千亿倍。

(4) 有时间结构、脉冲性

电子在环形轨道中的分布不是连续的。是一团一团的电子束做回旋运动。因此，同步光为脉冲光，具有时间结构。

(5) 洁净光源、无污染

03 同步辐射装置的组成

(1)电子枪：发射电子。

(2)直线加速器：初步加速，加速到几十至几百MeV，形成电子团。

(3)增强器：加速电子至最高的能量，可达GeV。

(4)输送线

(5)储存环

(6)光束线

(7)实验站

04 同步辐射的发展历史

1947年，美国通用电气公司在同步加速器上做实验时，首次在环形加速器的管壁上观察到同步辐射现象。截至目前，同步辐射已经经过了四代的发展。

1970s末，第一代同步辐射与高能物理研究兼用，属于寄生方式。即主要依托在高能物理研究所建造的单子加速器和储存环上运行。例如北京同步辐射装置BSRF。

1980s，第二代同步辐射装置是准用于同步辐射研究的。美国的Brookhaven国家实验室(BNL)两位加速器物理专家Chasman和Green把加速器上使电子弯转、散热等作用的磁铁按特殊的序列组装成Chasman-Green陈列(Lattice)，这种陈列在电子储存环中采用标志着第二代同步辐射的建造成功。例如合肥国家同步辐射国家实验室NSRL光源。

1990s，第三代同步辐射装置大量使用插入器件的高亮度和低发射度光源，即扭摆磁体和波荡磁体而设计的低发散度的电子储能环。第三代同步辐射是世界目前的主流光源。例如上海同步辐射装置SSRF。

第四代同步辐射是自由电子激光器。其主要特征是高度想干的辐射，具体参数如光源亮度、相干性将比三代光源提高若干个数量级，脉冲间隔也将缩短几个数量级。

05 同步辐射的实验方法

(1)同步辐射X射线吸收谱(EXAFS和XANES)

X射线照射到物质后，会被物质吸收，但是吸收系数在整个波段不是单调改变的，在某些位置会出现吸收突跃，成为吸收边(absorption edge)。

在吸收边附近及其高能扩展段存在着一些分立的峰或波动起伏，称为X射线吸收谱(XAS)。其分布从吸收边前至吸收边后高能一侧约1000eV。根据形成机制及处理方法的不同，通常将其分为两个明显不同的部分：EXAFS和XANES。

EXAFS(extended X-ray absorption fine structure)：吸收边后50eV-1000eV，形态上是连续缓慢的弱振荡。可以表示小范围内原子簇结构的信息，包括近邻原子的配位数、原子间距、配位数，种类，热扰动等吸收原子周围的近邻几何结构。

XANES(X-ray absorption near edge structure)：吸收边前-吸收边后50eV，特点是连续的强振荡。可以表示更丰富的近邻结构信息，例如近邻原子的键角，探测元素原子的电子态，价态等信息。

(2)同步辐射X射线小角散射(SAXS)

试样内存在纳米尺寸(1-100nm)的不均匀区，在入射X射线周围小角范围内(<5°)给出散射信号，称为小角散射。同步辐射小角散射的分辨率可达到9-11Å。

(3)同步辐射X射线光电子能谱(PES)

同步辐射X射线光电子能谱的波长连续可调，可以开展常规光源无法进行的实验，如CFS，CIS及表面灵敏等实验;强度高，分辨率高;采谱时间短，可以吸附动力学实验。利用广德偏振性质可以开展吸附分子去向研究等。

06 同步辐射的应用

同步辐射能为各相关科学研究提供连续谱、高强度、高准直性的优质光源，为研究物质的微观动态结构和各种瞬态的过程提供前所未有的手段和机会，是物理学、化学、材料科学、生命科学、医学等领域最先进又不可替代的工具。

2021年6月28日，高能同步辐射光源(HEPS)首台科研设备在北京怀柔安装，这是我国第一台高能量同步辐射光源!也将是世界上亮度最高的第四代同步辐射光源之一!

其包括超导高频测试平台、磁测与准直平台、X射线精密光学元件加工与监测平台、X射线探测器研发平台等，将对我国的材料科学、生命医药领域的基础研究和应用研究提供重要的支撑平台!