同步輻射光源被譽(yù)為“前沿科研的眼睛”“科技的燈塔”，是現(xiàn)代科學(xué)不可或缺的大型研究平臺。同步輻射光源就像觀測物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的“探照燈”，可以產(chǎn)生“全且亮”的X光，“看清”物質(zhì)結(jié)構(gòu)的靜態(tài)構(gòu)成和動態(tài)演化，從而推動材料科學(xué)、化學(xué)工程、能源、環(huán)境、生物醫(yī)學(xué)等多領(lǐng)域發(fā)展。中國有幾個同步輻射光源？合肥先進(jìn)光源是做什么產(chǎn)品的？下面一起來了解下目前最先進(jìn)的光源——同步輻射光源。


同步輻射光源概述

同步輻射是一種由接近光速運(yùn)動的帶電粒子在彎曲的軌道上運(yùn)動時產(chǎn)生的電磁輻射現(xiàn)象。在同步輻射光源裝置中，電子通過加速器加速產(chǎn)生了高能量的電子束并在磁場中偏轉(zhuǎn)，由于相對論效應(yīng)，這些電子會發(fā)射出從紅外線到X射線的各種波長的光子。類似于陽光照射到物體之后，很多光子攜帶著物體的顏色、大小和形狀等信息進(jìn)入我們的眼睛一樣，在同步輻射光源中，人們利用各種探測器代替了眼睛，使用波長覆蓋從原子水平到生物細(xì)胞尺度的大范圍的同步輻射光子，研究各種環(huán)境中的物質(zhì)。這為物理、化學(xué)、材料科學(xué)、計量學(xué)、地球科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生命科學(xué)等各個領(lǐng)域的前沿研究突破和關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)提供了有力支持。

同步輻射實驗技術(shù)在眾多學(xué)科領(lǐng)域中的應(yīng)用和支撐作用的顯著提升，得益于同步輻射光源的不斷升級。同步輻射光源歷經(jīng)了四代的發(fā)展。第一代寄生在高能物理研究的加速器上，性能和時間受到極大限制，發(fā)射度比較大(約1000 nm·rad量級)，亮度較低，但仍顯示了強(qiáng)大的研究支撐能力。第二代是專門設(shè)計用于同步輻射應(yīng)用的光源，發(fā)射度顯著降低(40—150 nm·rad)，亮度明顯提高，形成了大型綜合性的多學(xué)科研究平臺。第三代是采用大量插入件實現(xiàn)低發(fā)射度的專用光源，將發(fā)射度進(jìn)一步降低至10 nm·rad以下，光源的亮度相比第二代提高3個數(shù)量級，形成了國家級甚至世界級的綜合性研究中心。而當(dāng)前正在全球范圍內(nèi)建設(shè)或升級的第四代光源采用多彎鐵消色散結(jié)構(gòu)，將發(fā)射度進(jìn)一步降低至光的衍射極限——“輻射波長/4π”，其亮度比第三代光源高出2—3個數(shù)量級。第四代光源除了具備更加優(yōu)異的亮度外，具有相干性的光子比例也顯著提升，為基于同步輻射光源的科學(xué)研究帶來了新的機(jī)遇。

同步輻射的亮度決定了探測微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)的時空分辨極限，第一、二代同步輻射光源亮度最高在1016 phs/s/mm2/mr2/1‰B.W.水平，第三代同步輻射光源達(dá)到1019至1020 phs/s/mm2/mr2/1‰B.W.，而第四代同步輻射光源亮度可達(dá)1022 phs/s/mm2/mr2/1‰B.W.以上。亮度的提高能夠?qū)崿F(xiàn)物質(zhì)結(jié)構(gòu)更高分辨的實時探測。


合肥先進(jìn)光源是做什么產(chǎn)品的

合肥先進(jìn)光源（HALF）是基于衍射極限儲存環(huán)的第四代同步輻射光源，其發(fā)射度及亮度指標(biāo)的設(shè)計目標(biāo)為世界第一，建成后將是全世界最先進(jìn)的衍射極限儲存環(huán)光源。

合肥先進(jìn)光源國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項目位于合肥市長豐縣崗集鎮(zhèn)，總投資27.78億元，占地面積約657畝，總建筑面積約10萬㎡，擬建合肥先進(jìn)光源基礎(chǔ)設(shè)施和配套設(shè)施。從空中俯瞰，建筑猶如一只巨大的“靈眸”。項目總投資超27億元，建成后將使中國形成全能量區(qū)覆蓋的先進(jìn)光源體系，在物理、電子、信息、化學(xué)化工、材料、生命科學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用，加快推動合肥成為世界級光子科學(xué)研究中心和產(chǎn)業(yè)研發(fā)高地。

合肥先進(jìn)光源項目由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和合肥未來大科學(xué)城建設(shè)投資有限公司投資建設(shè)、上海建筑設(shè)計研究院有限公司和合肥工業(yè)大學(xué)設(shè)計院（集團(tuán)）有限公司設(shè)計、上海建工一建集團(tuán)有限公司和安徽建工三建集團(tuán)有限公司聯(lián)合體總承包，合同額8.83億元。

合肥先進(jìn)光源采用的是國際最先進(jìn)、亞洲唯一低能量區(qū)第四代同步輻射光源，采用更加復(fù)雜的加速器結(jié)構(gòu)，使其亮度更高、相干性更好，它的特點可以實現(xiàn)復(fù)雜體系電子態(tài)、化學(xué)態(tài)、輕元素結(jié)構(gòu)的精確測量。預(yù)計在2027年建成。

中國有幾個同步輻射光源

世界上正在運(yùn)行或者在建的同步輻射光源有80臺，中國目前三臺分別在北京，合肥和上海，分別是一二三代，位于安徽合肥的國家同步輻射實驗室是我國建設(shè)的第二代光源，而位于上海張江的“上海光源”是第三代光源。目前武漢深圳和懷柔都在建第四代同步輻射光源。根據(jù)公開資料懷柔最新最大的同步輻射光源造價48億人民幣，日本在建最新的Spring-8，造價1100億日元，相當(dāng)于80億人民幣，大概都在一個數(shù)量級上。而且一個同步輻射裝置可以對應(yīng)多個光刻設(shè)備，而一臺EUV光刻機(jī)價格1.5-2億美元，10-15億人民幣。這個成本完全沒問題甚至一個環(huán)上多建幾個線站的話可以平攤得更低。

我國大陸目前已建成北京、上海、合肥三臺同步輻射光源，免費(fèi)開放給科研人員使用，但實驗機(jī)時供不應(yīng)求。上海光源于2016年開工，2018年產(chǎn)出第一束光，后續(xù)的升級建設(shè)是在已有的加速器旁新建更多的X光實驗設(shè)施（“線站”），滿足各個領(lǐng)域?qū)光的不同需求。北京正在建設(shè)一臺新的高能同步輻射光源，是目前世界上最先進(jìn)、最強(qiáng)大的第四代光源。

同步輻射光源與散裂中子源都是研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的理想‘探針’，兩者之間優(yōu)勢互補(bǔ)。2018年，中國散裂中子源已在廣東東莞建成并高效運(yùn)行，規(guī)劃中的南方先進(jìn)光源毗鄰中國散裂中子源建設(shè)，可以發(fā)揮“一加一大于二”的效果。