说明：本文解析同步辐射原理与发展（从第一代到第四代光源），阐述其高亮度、高准直性等核心优势，展示在生物医学、物质科学、环境科学等多领域的广泛应用。读者可由此掌握这一前沿工具的关键作用及巨大潜力，为科研工作提供借鉴。
在现代科学研究中，微观世界的探索一直是科学家们不懈追求的目标。从原子、分子到更复杂的生物大分子和材料结构，微观世界的奥秘隐藏着自然规律的关键。
同步辐射技术的出现，为科学家们提供了一把打开微观世界大门的“金钥匙”。它以其独特的性能，成为探索微观结构和性质的利器，在物理、化学、生物、材料科学等多个领域发挥着不可替代的作用。
同步辐射原理
同步辐射是指高能电子在磁场中作圆周运动时，沿着切线方向发射出的电磁辐射。当电子束在同步加速器的环形轨道中高速运动时，受到磁场的约束而不断改变运动方向，从而产生电磁辐射。
这种辐射的强度和频率范围取决于电子的能量和运动轨迹。同步加速器通常由电子注入器、加速器环、储存环和光束线组成。
电子在注入器中被加速到高能量，然后注入到储存环中，在储存环中电子以接近光速的速度运动，产生同步辐射，下图是同步辐射原理示意图。
同步辐射发展历程
01
第一代同步辐射光源
第一代同步辐射光源（如上世纪70年代建设的北京同步辐射装置BSRF）主要寄生于大型正负电子对撞机（如北京正负电子对撞机），其亮度约为1012 ph/(s·mm2·mrad2·0.1%BW)。
由于同步辐射与高能物理实验需求不一致，其应用于同步辐射研究的性能和时间受限。
BSRF（2.5 GeV，覆盖真空紫外至硬X射线波段）由李政道倡导、邓小平支持建设，拥有14条光束线和15个实验站。但作为兼用光源，每年仅能提供约2000小时的专用机时，难以满足需求。
02
第二代同步辐射光源
第二代同步辐射光源是专用光源，其储存环设计以优化同步辐射性能为基础，主要从弯铁产生同步光，使用了少量插入件。
其能量通常较低，亮度约为1015 ph/(s·mm2·mrad2·0.1%BW)。代表装置包括美国NSLS、日本PF、巴西LNLS和中国合肥光源（NSRL）等。
合肥光源（1990年建成）是我国首个专用低能同步辐射装置（0.8 GeV），主要工作在真空紫外和软X射线波段，拥有14条光束线/实验站。
03
第三代同步辐射光源
第三代同步辐射光源亮度达1018 ph/(s·mm2·mrad2·0.1%BW)，核心突破是大规模使用插入件（代表：APS、ESRF、SPring-8、SSRF/TPS）。其电子束能量为几GeV，发射度约3 nm·rad。
我国大陆首台第三代光源SSRF（2009年建成）核心参数：周长432 m；能量3.5 GeV；发射度4.2 nm·rad；2024年5月完成二期线站验收，现运行34条光束线/46个实验站，年提供76,000小时用户机时（我国服务用户最多的大科学装置）。
04
第四代同步辐射光源
第四代同步辐射光源（衍射极限光源）通过新型加速器结构实现极低发射度，并在束线设计中强化X射线相干性，大幅提升亮度与相干性，催生全新实验方法。
全球首台装置MAX-IV（瑞典）于2019年投入运行；后续在建项目包括：美国APS-U、欧洲ESRF-ebs、巴西Sirius，以及中国的北京怀柔HEPS（高能同步辐射光源）和合肥HALF（先进光源），主要性能指标详见下表：
同步辐射优势
同步辐射光源具有常规光源所不具备的特性，分述如下。
01、频谱宽广、连续、可调
从图可见，同步辐射光具有连续谱分布特性，光谱范围覆盖太赫兹（THz）、红外（IR）、可见光（VIS）、紫外（UV）、真空紫外（VUV）、软X射线（soft X-ray）至硬X射线（hard X-ray）波段，其频谱宽度显著超越太阳光、X射线管及激光光源。同步辐射的特征波长由下式定义：
式中rλ为电子飞行轨道的曲率半径，γ是能量为E的电子的相对能量E/(mec2)，me为电子静止质量，c为光速。
使用单色器，可以从光束中选取一定波长与带宽的单色光。利用同步辐射光的可调性，可开展针对特定波长的光与物质相互作用的研究，以及连续改变波长进行扫描的谱学研究。
02、高准直性
常规X射线管产生各向同性辐射（近似半球形分布）；而同步辐射呈高度定向的锥形束发射，其辐射功率主要集中于电子轨道瞬时速度方向的切线平面附近。定义发射光子方向与电子瞬时速度矢量的夹角为θ，则同步辐射的发散特性由该辐射锥的θ1/2半张角表征。
上式中γ为电子的相对能量，与电子的速度和磁场结构密切相关。由于相对论性粒子的γ>>1，因此同步辐射的发散角很小，光线几乎是平行的。
03、高辐射功率
单个电子发出的同步辐射瞬时功率Pe、单个电子沿环形加速器轨道回旋一圈辐射的总能量U0和一台同步辐射光源的总辐射功率PSRS分别由下面三式给出：
式中，β为电子的相对速度v/c（对相对论性电子，v/c≈1）；ρ为电子飞行轨道的曲率半径；积分号表示对环形轨道积分一圈。由于相对论性粒子的γ>>1，导致同步辐射光源有很大功率。
04、高亮度
同步辐射光源的亮度（Brightness）是其辐射光子通量在空间和能量上集中程度的度量。亮度是针对特定波长（或光子能量）的单色光定义的，是波长（或能量）的函数。
目前采用最多的是光子的六维相空间峰值密度，以Ph(光子数)/[s mm2 (光源面积)mrad2(立体角)0.1%BM]为单位，其中BM表示能谱带宽。同步辐射光源将高度准直（小发散角）和高功率（高通量）的特性相结合，使其亮度比常规光源高出数个数量级。
这种超高亮度的核心优势在于，它能够在极小的样品照射区域、极窄的接收立体角或极细的能谱带宽内，提供足够高的单位时间光子通量，从而使其能够实现极高的空间分辨率、角分辨率或能量分辨率。
05、偏振性
同步辐射光具有高度偏振的特性。在电子运动轨道平面内，辐射为线偏振；在偏离轨道平面的方向上，辐射呈现椭圆偏振。
在整个辐射光锥中，线性偏振分量约占总辐射功率的75%。随着光子能量的增加，线偏振辐射的相对含量提高。同步辐射的偏振特性对于研究样品的各向异性至关重要。
06、高时空间分辨率
电子因辐射损失的能量由射频（RF）加速腔提供的交变电场补充。该电场的幅值随时间周期性变化，其相位稳定性将沿环运动的电子束约束成一系列离散的束团。因此，同步辐射光表现为脉宽在纳秒（ns）至皮秒（ps）量级的光脉冲序列。
利用这种脉冲结构，可实现皮秒（ps）量级的时间分辨测量；而常规实验室X射线源的时间分辨率通常在秒（s）量级。
同步辐射光束的横向尺寸（光斑）可聚焦至纳米（nm）尺度，从而实现纳米级的空间分辨率；相比之下，常规实验室X射线源的空间分辨率通常在百微米（100 μm）量级。
07、高纯净
同步辐射光源的电子储存环工作在超高真空（UHV）环境下，真空度通常在10-9~10-10Pa范围。光束线上的光学元件以及样品本身也可置于真空或惰性气体环境中。
这种环境极大限度地减少了光束路径上的气体吸收和污染，使得同步辐射光成为一种“超纯”光源。这一优势对于易被大气强烈吸收的真空紫外（VUV）和软X射线波段尤为突出。
08、可计算性
同步辐射的发射机制由经典电动力学精确描述。其关键特性，如光子通量的光谱分布、偏振态、以及角分布等，均可通过理论公式精确计算，并与实验结果进行定量对比。
同步辐射应用
同步辐射光源凭借独特优势，推动多学科实验技术革新，广泛应用于生物医学、物质科学、能源环境等领域。
在生命科学领域，约1/3同步辐射用户来自该领域，全球已建成60多条专用光束线站。
同步辐射晶体学衍射法占近年解析蛋白质结构的80%以上，相关研究5次获诺贝尔化学奖。此外，其高分辨率成像技术正助力亚太地区全人脑神经网络成像研究，下图是高纬度数据可视化图像。
DOI：10.1016/j.solener.2021.06.006
现代物质科学研究正向着海量、复杂的非晶态和非均匀体系在非平衡态或真实反应条件下的动态变化过程深入发展。同步辐射正是探测复杂非均匀体系和动态变化过程中物质的结构、成分、化学价态、电子态和磁性等关键信息的利器。
目前，世界上同步辐射装置约40%-50%的线束用于物质科学研究，涉及所有同步辐射实验方法。
实验技术向着 高空间分辨、高时间分辨和髙能量分辨的方向发展，提供测定物质的化学组分、晶体结构、电子结构、 痕迹元素、表面化学等实验手段。下图是同步辐射对物质的结构价态的研究。
DOI：10.1021/jacs.2c13597
环境科学领域，同步辐射具有微区、高灵敏度、低检测限、无损检测等特点，微束探针、微束射线衍射和微束吸收谱等技术都是环境科学研究的有力工具。
利用同步辐射，可以研究环境污染物在土壤、水体、植物等介质中的存在形态和迁移转化规律；还可对大气气溶胶进行分析，了解其化学成分和微观结构，有助于深入认识气溶胶在大气化学过程中的作用，以及对气候变化和空气质量的影响，为大气污染防治提供关键数据支持。下图是同步辐射对油菜叶的扫描。
DOI：10.1016/j.radphyschem
考古应用中，同步辐射通过XRF等技术实现文物成分分析、病害检测及工艺溯源，为金属、陶瓷等文物的产地、配方研究提供关键数据，下图是同步辐射对作曲家的墨水铁含量的分析。
DOI：10.1146/annurev-anchem-062011-143019
工业领域，7%-9%的同步辐射用户为企业，专用线站覆盖部件检测、芯片缺陷分析、增材制造监控等场景，其高穿透成像技术保障了航空航天、汽车制造等关键部件的质量安全，下图是同步辐射显示综合强度的铝卡线，揭示了金属和氧化物部分的分布。
DOI：10.1039/c6ja00072j
同步辐射是高能电子在磁场中偏转产生的电磁辐射，历经四代发展，具频谱宽、高准直等优势，在生命科学、物质科学等多领域应用广泛。
未来，随自由电子激光等技术发展，与AI结合及中国HEPS等装置建成，其亮度和分辨率将提升，推动跨学科研究，在微观探索中发挥更重要作用。
