北京同步辐射装置（北京同步辐射装置）

概述

北京正负电子对撞机(BEPC)

同步辐射光源的概念

同步辐射光源是在同步辐射加速器中产生的高强度光源，是高能带电粒子加速运动产生的副产物。

北京正负电子对撞机(BEPC)

（如图）

BSRF的运行模式及主要参数

BSRF有两种运行模式：兼用或专用模式，兼用模式用于高能物理对撞实验，同时也提供同步辐射光；专用模式专用于同步辐射研究。两种模式下的BEPC的主要参数列于下表：

什么是同步辐射

光是一种电磁波，也是一种粒子，叫做光子。可以用波长或者频率表征光波，也可以用能量表征光波。光的波长可从10-4厘米到10-16厘米，相应于光子的能量为100电子伏到10E12电子伏。波长越短，能量越高。

在雨中快速转动雨伞时，沿伞边缘的切线方向会飞出一簇簇水珠。利用弯转磁铁可以强迫高能电子束团在环形的同步加速器以接近于光速作回旋运动，在切线方向会有电磁波发射出来。

接近光速运动着的电子或正电子在改变运动方向时放出的电磁波叫做辐射波，因为这一现象是在同步加速器上发现的，所以称为同步辐射。这种电子的自发辐射，强度高、覆盖的频谱范围广，可以任意选择所需要的波长且连续可调，因此成为一种科学研究的新光源。

同步辐射光的特点

高强度

如用X光机拍摄一幅晶体缺陷照片，通常需要7-15天的感光时间，而利用同步辐射光源只需要十几秒或几分钟，工作效率提高了几万倍。高亮度的特性决定了同步辐射光源可以用来做许多常规广源所无法进行的工作。

宽波谱

同步辐射从红外线、可见光、真空紫外、软X射线一直延伸到硬X射线（如图），是目前唯一能覆盖这样宽的频谱范围又能得到高亮度的光源。利用单色器可以随意选择所需要的波长，进行单色光的实验。

高准直性

利用同步辐射光学元件引出的同步辐射广源具有高度的准直性，经过聚焦，可大大提高光的亮度，可进行极小样品和材料中微量元素的研究。

脉冲性

同步辐射光是由与储存环中周期运动的电子束团辐射发出的，具有纳秒至微秒的时间脉冲结构。利用这种特性，可研究与时间有关的化学反应、物理激发过程、生物细胞的变化等。

偏振性

与可见光一样，储存环发出的同步辐射光根据观察者的角度可具有线偏振性或圆偏振性，可用来研究样品中特定参数的取向问题。

同步辐射的历史、现状及发展

同步辐射是速度接近光速的带电粒子在作曲线运动时沿切线方向发出的电磁辐射——也叫同步光。这种光是1947年在美国通用电器公司的一台70Mev的同步加速器中首次观察到的，因此被命名为同步辐射，但对同步辐射的研究与认识并非从此开始，对于这种高速运动的电子的速度改变时会发出辐射的现象早就被人们所认识并经历了长期的理论研究，但要从实验上观察到这种辐射却不是一件容易的事，需要有以近光速运动的高能量电子，电子加速器的发展成为获得同步辐射的技术基础。

同步辐射的电子加速器可使高能电子加速到Mev乃至Gev的能量范围，主要有以下几种类型：

直线加速器

加速电子（或其它带电粒子）到高速度、高能量的简单且直接的方法是高压型加速，增大加速电压就能使电子加速到很高的速度或能量，这种加速过程需要在高真空或超高真空条件中进行。对于电子，其带电量为一个电子电菏e，如要将电子加速到几十Kev的能量就要用几十KV的电压，以此类推，在更高的电压条件下，为避免高压击穿须采用强烈的电感应来加速，而且必须在合适的相位范围内使相位相同，否则不仅不能加速还会减速。这种用高频高电压加速的粒子流在时间上是一段一段的，脉冲式的，是很窄的粒子流，成为一个个束团。为了利用高电压来加速，人们把多个中空的金属筒有间隙的排列在一条直线上，并将高压高频交流电源间隔的耦合到各个圆筒上，各个圆筒之间存在高电压，相位轮流相反，电子在圆筒之间被加速。

回旋加速器和电子感应加速器

如果要用直线加速器得到很高的电子能量，整个加速器要做的很长，很不经济。到了20世纪20年代，回旋加速器（cyclotron）和电子感应（betatron）相继发明，有了把电子加速到极高能量的可能。回旋加速器是利用高频感应电压给电子加速增能和用磁场使带电粒子做绕圈运动这两种作用建立起来的。电子在圆形环中运动，在加速间隙得到加速，所运行的轨道半径也一步一步增加，以达到加速增能的目的。电子感应加速器是利用电子绕圈内的磁通变化所感应出的电场来加速电子。电子手约束磁场的作用基本以不变的半径绕圆圈，每绕一圈就加速一回，由于电子的速度很快，在不长的时间内绕的圈数很多，故能够得到很高的能量。

同步加速器

1945年 McMillan和Veksler发明了同步加速装置。同步加速器由许多C型磁铁环状排列而成，在磁铁中部安装了环型真空盒，在环的某一段安装了高频高压加速器，电子就在真空盒内，在磁铁的作用下做环状运动，经过高频时得到加速。为使加速后的电子仍以相同的半径作环形运动，就要改变同步C形磁铁造成的约束磁场，这就是同步加速器的由来。到了20世纪70年代中期，人们进一步认识到在高能物理中用于对撞实验的电子存储环来发生同步辐射更合适，因为电子在存储环中以一定的能量作稳定的回环运动，这与同步加速器中的电子的能量不断改变的情况不同，因而能长时间的稳定的发出同步辐射光。随着电子存储环能量的提高，所得同步辐射的波长不断缩短，从紫外线或软X射线一直扩展到硬X射线。

同步辐射较之常规光源有许多优点。比如它频谱宽，从红外一直到硬X射线，是一个包括各种波长光的综合光源，可以从其中得到任何所需波长的光；其中最突出的优点是亮度大，对第一代光源，亮度可达10E14~10E15，比之转靶X射线发生器的特征谱的亮度10E11高出三四个数量级。高亮度的光强可以做空前的高分辨率（空间分辨，角分辨，能量分辨，时间分辨）的实验，这些都是用常规光源无法完成的的，还有同步辐射发散角小，光线是近平行的，其利用率，分辨率均大大提高；另外还有时间结构、偏振特性，有一定的相干性和可准确计算等等。正因为有以上各种优点，它在科学、技术、医学等众多方面解决了一批常规实验室无法解决的问题，做出了重大贡献，世界各国特别是发达国家对此都十分重视，纷纷建立了自己的同步辐射实验中心。

世界上部分同步辐射装置

世界上部分同步辐射装置

另外还有印度、巴西、西班牙、加拿大、荷兰、瑞士、泰国、新加坡等国家均建有同步辐射光源实验室。

我国同步辐射事业的发展

我国的同步辐射事业是从20世纪70年代末北京正负电子对撞机（BEPC）的建造开始的，起初是为高能物理研究而设计的，在1984年的一期工程期间决定一机两用，同时开展同步辐射的应用，这是第一代的同步辐射装置，称为北京同步辐射装置（BSRF）。BSRF于90年代初建成，它是电子能量为2.2Gev的中能环，产生硬X射线，建设了一些使用硬X射线的实验站，如X射线吸收光谱，荧光光谱，衍射，白光形貌，小角散射，漫散射站等，另外包括光电子能谱，光刻站，软X射线谱站等，经多年发展还建造了高压站，计量标准站等，最近正在建造并已部分完成了生物大分子、中能X光站，并进行了部分线站的调整和重建，出色地完成了一批实验室设备不能完成的工作。但缺点是因为要进行高能物理实验，不能按同步辐射的要求进行运转，而且实验机时受很大限制，一年只有3个月左右的用光时间，远不能满足用户的需求。中国科技大学提出并在1983年获国家批准建设一台800Mev的低能第二代同步辐射源开始的。此装置不能产生硬X射线，是一个VUV环。该装置于20世纪90年代初建成，称为国家同步辐射实验室（NSRL）。1992年开始为用户服务，有光电子能谱，光化学，光刻，软X射线谱及时间分辨五个实验站。1999年成功安装运转了一台6T的扭摆器，可以发生最短到0.1nm的硬X射线衍射站，建成后将大大提高该装置的实验能力。但由于是低能环，硬X实验站不多，有局限性，目前正在进行二期工程扩建。因为北京和合肥的同步辐射装置都各有自己的缺点，中央和上海市政府准备在上海市建一个第三代的同步辐射装置，能量高达3.5Gev，可达到世界先进水平。我国除上述装置以外，在台湾新竹还建有一个低能的1.3Gev的第三代同步辐射装置。

同步辐射的应用以及应用发展趋势

作为多学科共同应用中心的同步辐射装置

在当代的科技发展中，学科交叉与科学-技术在新的层次上的结合占有越来越重要的地位，导致了许多重大的突破和新的科研领域的诞生。前者可以生物-医学科学的一些重要发展（如DNA的双螺旋结构）为例，而扫描隧道显微镜则是后者的一个很好的例子。可以预期，学科间高度的交叉与融合将是下一个世纪科技发展的特征。如果对此没有充分的认识，那将会严重影响我国下一世纪的科技发展。以下我将以同步辐射在生物-医学科学中的应用作为例子来说明这点。

在世界上过去二十多年中发展起来的同步辐射中心提供了一个多学科交叉与科学-技术结合的自然的场合。例如，在这里，生物-医学科学家已经成功地开辟了许多新的领域：生物分子及蛋白晶体的结构分析、活的生物体在器官、细胞、细胞核以及分子水平上的结构分析、药物筛选、非插入的双色数字减除法心血管造影，在活的细胞中化学元素的三维拓扑构像等。这些都是生物-医学家和物理学家、化学家、计算机科学家与工程师紧密合作的成果。目前世界各国正在大力发展的第三代同步辐射光源的出现，使得这些领域从基本上是静态的、结构的研究开拓到动态的、功能性的研究成为可能。而这些方面将会是下一个世纪的生物-医学科学的研究重心。这样就出现了一个在以前难以想象的现象，就是在一些结构生物学研究中心里，非生物背景的研究人员的数目不下于有着生物背景的。在一些新建成的同步辐射中心里，来自生物界的研究申请占首位，但是在最初，生物-医学科学家却是不习惯于离开他们自己的实验室到像同步辐射中心那样的多学科交叉的环境中工作的。这种中心的先进的工作条件及其独特的工作环境的重要性，将在下一世纪的科技发展中会越来越明显地为人们所认识。

同步辐射在工业生产领域中带来的新机遇

同步辐射在工业生产领域中带来了一个巨大的新机遇：微机械的大规模的加工技术——LIGA技术。

高科技的发展，已经把微机械加工提到日程上。例如，光纤光缆通讯技术的发展，要求能够由工业大批量生产具有微结构的光纤芯耦合器，以取代目前手工或半手工的操作。这种工业就属于微机械加工业。

现代的微机械加工是指宽度为几个到几十个微米、高度为几十到几百微米的机件的加工，它的第一个主要特征是高宽比（aspect ratio）大，为几十以上；它的第二个主要特征是有着生产集光、机、电性能于一体的微系统的潜力。微机械产品正在被应用到越来越广泛的领域中，例如，微马达和微照明灯具已被应用于非剖开性的人体内部外科手术，微米结构的同位素分离喷咀已被用于核燃料铀的富集生产中。目前，微机械加工是一门正在成长的、具有巨大前景的新工业，将会成为下一世纪的一门主要的工业，应当引起我国的高度注意。

当前正在发展的微机械加工技术有多种，但就大规模生产与高度的适应性而言，80年代中在德国发展起来的LIGA技术，在国际上被认为是微机械加工的一个最有前景的新方向。

LIGA是德文Lithogrsphie（光刻）、Galvanoformung（电铸成型）和Abformung（塑铸成型）三个字的字头，它由深层同步辐射光刻、电铸成型及塑铸成型这三个工艺过程组成。所以准确的名称为微机械加工的同步辐射深层光刻、电铸成型与塑铸成型技术，简称为LIGA技术。在原理上LIGA技术与全息记录的大规模复制（例如，激光唱片生产）有点相仿，第一步是用光刻的方法在光刻胶上刻出微机械或微器件的三维结构，第二步是通过电铸从光刻胶三维结构上产生金属母模，第三步是用母模通过电铸或塑铸方法复制许多金属的或其它材料的生产用模，最后一步是用生产用模作大规模复制。

LIGA技术中的光刻工艺与微电子工业所用的光刻工艺是很不相同的。微米级微电子器件的刻蚀深度不大于几千埃，刻出的结构的高宽比小于1，所以也称为平面的光刻，所使用的光源的波长在可见光到紫外光的范围便已足够。与之对比，LIGA技术中的光刻的深度要到千倍以上，故此也称为立体的光刻。要增加刻蚀深度，必须使用波长比紫外光短得多的X光。如果要做几十到几百微米深度的光刻，所使用的光应是波长在2-10埃之间的X光。

对于深层光刻所使用的X光源的性质，除了波长之外，还有两个重要的因素，就是光的功率密度和准直性。它应当有足够大的光功率密度和足够好的准直性，前者是为了曝光的需要，后者是为了保证制作出来的微机械结构的垂直面具有优异的平行度。目前的软X光光源，有用轻元素为靶的常规X光源，聚焦激光打靶形成的等离子体产生的软X光以及同步辐射光源。第一种光源功率小，第二种光源目前达到的波长在100埃以上。两种光源都属于点光源，光的准直性都不好，而且两种光源的功率密度都不足以在合适的时间内使厚的光刻胶层曝光。最适合于深层光刻的光源是同步辐射光源。

目前国际上普遍认为，LIGA技术是大规模微机械加工的一个极重要的方向，有着巨大的发展前景。最新的报道为用LIGA技术生产出可植入人体的微型电机，其直径只约为1mm，厚度为1.9mm，重量为0.1g，转速为10万转，直径细如发丝的齿轮的精度达微米的量级。这是一个说明科学与新技术结合给工业带来的巨大的新机遇的例子，通过它可以看到下一个世纪科学技术发展的特征，这就是学科间高度的交叉与融合。对此，不但科学家，而且产业界和规划人员必须予以高度重视，否则我国科技界将与许多新发明和新发现失之交臂，也无法实现在我国建立起一个有着世界上领先水平的产业界的局面。

同步辐射中心作为一种特殊模式的大科学设施

北京同步辐射装置

北京同步辐射装置

如果按计算机的术语说，上面的线性模式是串行输出的模式的话，相反地，在同步辐射设施上这三类活动是同时进行的，亦即作为大科学装置的同步辐射设施对基础科学、应用基础与工业应用的关系如图3所示，是并行输出的。正是由于这个特点，在世界上有条件的国家中，同步辐射设施的建造都得到优先的支持。

我国是否应当及能否建造第三代同步辐射光源

我国是否应当建造第三代同步辐射装置？

在读了上面的介绍后，回答是当然的：是！因为它是促进下一个世纪科技发展的一个十分重要的手段。

我国是否能够建造第三代同步辐射装置？

第三代同步光源对工程技术的要求是苛刻的。以美国伯克莱的ALS为例，在其波荡器里的电子束的截面是椭圆形的，水平方向的长度是335μm，而垂直方向的长度仅65μm，相当于一根头发的直径。实验上要求电子束流有很高的稳定性，稳定到其截面尺度的十分之一。反映在安装精度上，这就要求在安装在周长近200米的近200个各类的二极、四极等磁铁的中心对设计位置的偏离小于150μm；对于波荡器的要求更高：在其5米的长度上，每个磁极的位置安装精度好于20μm，而且这个精度在40吨的磁力作用下仍能保持！其他对磁铁的加工精度、电源的稳定度、地基的抗振能力、磁场分布的精度等等的要求，同样都是相当苛刻的。在这些精度都达到后，还需要有巧妙的电子束流监控系统，随时监测电子束流的位置并给以必要的校正，以保证束流位置的稳定。

虽然这些技术都是当前的尖端技术，但是都属于成熟的技术，只要有精密机械加工的保证和在设计、测试、安装等方面的严格把关，这些苛刻的指标都是能够达到的。所有已经投入运行的5个装置的建造经验都证明了这点。我国在建造北京和合肥两个同步辐射装置中已经有了一支有实践经验的科技队伍，只要领导得当，有足够的支持，是完全能够胜任的。

同步辐射是对科技发展起十分重要作用的一种先进手段，同步辐射中心是独一无二的为最众多学科服务的研究中心，是一个各学科交叉、融合的天然场合，其重要性已为世界上广大的科技界所认识，并得到各国政府的大力支持。改进及提高我国已建成的同步辐射设施的效能，并建造一个最先进的同步辐射中心，将对下一世纪我国高科技发展起关键性的推动作用。