同步辐射指相对论性高速运动的带电粒子在外磁场作用下作曲线运动时沿轨道的切线方向发出的电磁辐射。根据电动力学，带电粒子做变速运动时将发出电磁辐射，包括直线运动时由于速度大小的变化导致的在运动前向的韧致辐射，以及曲线运动时由于运动方向发生变化导致的运动切向的同步辐射。同步辐射因最初在电子同步加速器上被观测到而得名。同步辐射光源具有许多常规光源不具备的优越特征，如宽频谱范围、高光谱亮度、高光子通量、高准直性、高偏振以及具有脉冲时间结构等，它使一些常规光源不可能做成的实验成为可能。

中文名：同步辐射

外文名：synchrotron radiation

同步辐射的发现

有关同步辐射最早的理论研究可以追溯到19世纪后期，这种并未被命名的辐射第一次引起大家的广泛关注是在卢瑟福提出原子的核式结构模型之后。在经典电磁理论中，电子因库仑力绕原子核旋转，高速运动的电子必定因同步辐射而损失能量，这样其轨道将一直收缩直至与原子核相撞，无法维持原子结构的稳定性。这个疑问直到近代量子力学诞生才得到解释。

在实验中，直到20世纪40年代到50年代，同步辐射才作为粒子物理实验的副产物被人们发现。1947年，研究者在通用电气公司的一台70 MeV的同步回旋加速器上首次观测到了同步辐射。在当时，同步辐射只被作为一种不可避免的负面产物被粒子物理研究者所接受：为了产生新粒子、观察微观世界的新现象，粒子物理科学的进步需要建造更大的加速器，以便将粒子加速到更高的能量，但同步辐射将不可避免地导致粒子能量的损失，并且当粒子能量越高时，同步辐射造成的能量损失就越大（正比于相对论性运动粒子能量的四次方）。当年与加速器有关的研究者推算出，考虑同步辐射之后，粒子所能达到的能量极限为500 MeV。好在没多久，加速器物理学家提出了新的同步加速器原理，突破了这个能量极限。

第一代同步辐射光源

与粒子物理研究者减少同步辐射以提升粒子能量的需求相反，另一部分研究者希望能够优化同步辐射光源，以利用这种辐射推动非核物理的研究。同步辐射的应用研究起源于吸收谱，从20世纪60年代开始，研究者在世界各地的电子同步加速器上，进行了大量真空紫外（VUV）到软X射线（SX）波段吸收谱学实验的研究，得到了许多让人振奋的实验结果，开启了同步辐射应用研究的第一波热潮。直到今天，同步辐射仍然是真空紫外到软X射线波段最强的连续光源。

在这一阶段，同步辐射研究是对高能物理实验负面产物的应用，研究者没有自己的设备，只能“寄生”于粒子物理学家的加速器进行研究。这种以高能物理实验为主的兼用光源被称为第一代同步辐射光源，可以在储存环或同步加速器上运行，“兼用”包括同时（同步辐射寄生运行）或分时（有同步辐射专用时间）。它们大多建于1965-1975年，其中有不少是已在运行或建造中的、原本用于担任正负电子对撞机的储存环，由于形势的发展，添加了提供同步辐射的功能。由于同步辐射实验的要求和高能物理实验的要求并不一致，第一代同步辐射光源应用于同步辐射研究的性能和时间都受到限制。

我国的北京同步辐射装置（Beijing Synchrotron Radiation Facility, BSRF）即为依托于北京正负电子对撞机的第一代同步辐射光源，运行在2.5 GeV，有14条光束线和15个实验站，覆盖波段较广，从真空紫外到硬X射线。由于是兼用光源，每年只有约2000小时同步辐射专用机时。

北京同步辐射装置（BSRF）光束线和实验站示意图

第二代同步辐射光源

20世纪60年代，为了提高入射粒子和靶粒子相互作用的能量，以产生新粒子、探索微观世界的新现象，高能物理研究者提出了用高能量入射粒子束和靶粒子束的对撞取代入射电子轰击固定靶的想法，这种想法的可行性随着储存环建成得到证实。

存储环为一种特殊的圆形加速器，可以将粒子储存起来，保持几个小时的近光速循环。储存环主要包括电子源（electron source）、直线加速器（linac）、同步加速器（booster synchrotron）、主环（main ring）和线站（beamline and experiment）五个部分。电子由电子源发射，经过直线加速器加速和同步加速器的加速后，被转移到主环上。在主环上，这些粒子被加速到接近光速，为了使电子保持在存储环内的封闭轨道上，在环的路径上安装了强大的弯曲和聚焦磁铁（bending magnets），当电子通过这些弯曲磁铁时，可以产生同步辐射。

储存环示意图

储存环提供的相当稳定的电子束流、各频段可调可控的同步光谱分布以及超高真空的工作环境使专用同步辐射光源的建设成为可能。另外，由于同步辐射用户群体在各个学科领域中迅速增长，第一代“寄生”式的同步辐射光源不足以满足他们对机时的需求。1968年，两台专门为同步辐射研究服务的电子储存环投入运行，一台为美国威斯康星（Wisconsin）大学的“大力神”（Tantalus），另一台为日本东京大学的SOR环（Synchrotron-Orbital-Radiation ring），这标志着同步辐射光源起步阶段的结束和大发展阶段的开始。人们将这种基于储存环的专用同步辐射设施称为第二代同步辐射光源，它们在设计时优化的目标就是充分用好同步辐射，一般有较小的束流截面、较高的流强，能安装较多的光束线和实验站，它们大多建于1975-1990年。

我国合肥的国家同步辐射实验室（National Synchrotron Radiation Laboratory, NSRL）即为第二代同步辐射光源，运行在800 MeV，其优势能区为真空紫外和软X射线波段，每年运行时间超过7000小时，开机率优于99%，为国内外用户提供了40000小时以上的优质机时。

第三代同步辐射光源

在第二代同步辐射光源中，在带电粒子通过主环上的弯铁时发生同步辐射，它在一个狭窄的辐射锥内从电子轨迹切线向外，张角约为电子静止能量与其运动能量的比值，即

插入装置（insertion%20devices）是一种磁性部件，由极性交替的周期性磁体阵列组成，当电子通过摆动装置时，它会在每个磁体处改变轨迹，从而进行震荡运动。在每一个震荡周期中，电子在运动方向偏转时发出辐射，每个周期的辐射叠加后，总的辐射沿着摆动装置方向出射，从而增加辐射的强度。摆动器（Wigglers）和波动器（Undulators）是使用的两种主要的插入装置，两者只有场强上的区别，工作原理相同。其中，摆动器具有较高的磁场，将得到张角更大、亮度更低的同步辐射，而波动器磁场较小，可以得到张角更小、高亮度的准单色辐射。%20

弯铁、扭摆器和波动器示意图

第三代光源的出现，掀起了兴建“新光源”的第二波热潮，从20世纪90年代开始，一直延伸到21世纪初期。在第二波热潮的初期，同步辐射界公认按照运行电子能量

的高低，可以将同步辐射光源分为两类，

GeV的高能光源（硬X射线源）和%20

GeV的中低能光源（真空紫外和软X射线光源），二者各有分工、相互补充，以保证同步辐射研究能力的有效合理利用。%20

X射线亮度随同步光源的建设而提升，大约每十年三个数量级

我国的台湾光源（Taiwan Light Source Beamlines, TLS）、台湾光子源（Taiwan Photon Source, TPS）和上海同步辐射光源（Shanghai Synchrotron Radiation Facility, SSRF）均为第三代同步辐射光源。其中，上海光源2009年建成，为3.5 GeV的中能第三代同步辐射装置，具有波长范围宽、高强度、高亮度、高准直性、高偏振与准相干性、可准确计算、高稳定性等一系列优异的特性。 台湾光源TLS于1994年投入运行，电子束能量为1.5 GeV，TPS则在2015年建成，是更为先进的3 GeV第三代同步辐射光源，其亮度达到了1021 phs/mm2/mrad2/s/0.1%BW，被称为“亚洲最亮的3 GeV同步辐射光源”。

第四代同步辐射光源

第四代同步辐射光源以极高的峰值亮度和高相干性为特征，同时具备脉冲极短、平均功率高等优点，可能的选型包括：短波长自由电子激光（free electron laser, FEL）、衍射极限储存环（the diffraction-limited storage ring, DLSR）、能量回收型直线加速器（Energy Recovering Linacs, ERL）和红外相干光源。其优异的亮度、能量和相干性，使得X射线相干成像等系列全新的实验方法得以实现，对各学科的前沿研究提供重要的支撑。 全球现已建成3台第四代同步辐射光源，未来5年，预计将再建成近10台。

HEPS是我国第一台高能量同步辐射光源，其储存环加速器中的电子束流能量为6 GeV，为中国的第一个高能同步辐射装置。通过合理优化设计插入件，可产生亮度高于1×1022 phs/(mm2·mrad2·0.1%BW) 量级的世界最高亮度的、能量高达300 keV的同步辐射光，比SSRF的亮度要高出100倍以上。经光束线上的高精度压弯、单色器、聚焦镜等一系列精密光学系统分光、准直、聚焦等再加工后，HEPS可提供nm空间分辨、ps时间分辨、meV能量分辨的同步光。

如今，同步辐射已经成为数量最多的在线运行大型装置，世界上存在50多个正在建设或运行的光源，分布于23个国家和地区。

当今世界存在的同步辐射光源

为了简单起见，我们只讨论真空中的电磁场。在经典电动力学中，定义矢势A和标势φ来描述电磁场，由磁场的无源性引入矢势A：

将其代入洛伦兹方程组，得到变化电场的表达式，与静电场不同，该电场加上了磁感应项：

因为在定义中仅仅确定了A的旋度，而电磁场本身对A的散度没有任何约束，只有旋度的定义时不足以确定矢量场，因此，我们采用规范条件来确定A的散度。在处理辐射问题时，一般使用洛伦兹规范：

将其代入洛伦兹方程组可以得到达朗贝尔方程：

这是非齐次的波动方程，其自由项为电流密度和电荷密度，说明电荷将产生标势波动，而电流产生矢势波动。离开电流和电荷的分布区域后，矢量和标量均以波动的形式在空间中传播，它们导出的电场和磁场也将以波动的形式在空间中传播。需要注意的是，电场和磁场的分布与规范的选择无关。

将电荷和电流的分布代入达朗贝尔方程求解电磁场，得到对于一般随时间变化的电荷分布

其中，r为发光点

的距离。同理，变化电流所激发的矢势分布为：

说明空间某点

处t时刻的电磁场由较早时刻

在位置

处的电荷电流分布决定，即电荷产生的物理作用不能立即传至场点，电磁作用需要一定的传播时间。这个矢势和标势被称为推迟势。

推迟势示意图

将计算得到的推迟势代回其定义式中，可以得到运动电荷所产生的电场和磁场分布。考虑最简单的情况，对于单个电子运动，可以计算得到它发出的电磁场为：

其中，n为发光点指向观察点方向的单位向量，β 为用光速c归一化后带电粒子的速度，γ 为洛伦兹变化因子，为推迟因子

，下标t* 表示有关量在t* 时刻即推迟时刻的取值。

该电磁场可以分为两个部分：第一部分为近场，仅仅与电荷运动的速度有关，因为其大小和发光点到观察点的距离r的平方成正比，该项不向远处产生辐射；第二部分为远场，与电荷加速度有关，是电磁辐射的来源。当带电粒子匀速直线运动，第二部分为零，它的电磁场不产生辐射，这种电磁场的波印廷矢量包裹着电荷并随之向前飞行，不向远处发射能量；当带电粒子受外力作用而减速时发出轫致辐射；当粒子低速往复运动时，发出振荡电荷的辐射；当电子以近光速运动、加速度方向与速度方向基本垂直、电子速度方向变化而大小基本不变时，发出同步辐射。

宽光谱范围

同步辐射涵盖了电磁波谱中广泛的波长范围，因同步辐射源而异，一般包含红外线、可见光、紫外线和X射线。其中，硬X射线的波长约为0.1 nm，约为原子尺寸，对与原子尺度上物质和材料的研究至关重要。 并且，同步辐射发出的光谱具有“连续”和“平滑”的特征，即光谱中既没有下凹的断点，也没有凸起的特征峰。可根据需要，利用单色器选取一定波长和带宽的单色光进行单色光实验，这称为同步辐射波长的可调性（tunability），特别适合开展针对特定波长的光与物质相互作用研究（如吸收谱）和连续改变波长进行扫描的谱学研究。

高度准直性（方向性）

同步辐射的发散角小，光线几乎是平行的，宜于远距离传输和开展对光的入射角一致性有要求的用光实验。

高辐射功率

由于单个电子同步辐射发出的瞬时功率正比于洛伦兹因子 γ 的四次幂，而相对论性粒子的 γ 远大于1，所以同步辐射源有相当可观的功率。

高亮度

同步辐射的亮度指辐射能量的集中程度，采用最多的定义为光子的六维相空间峰值密度：光子数/（时间×0.1%的带宽×光源面积×立体角）。与常规X光机产生的X光相比，同步辐射光的亮度高出约4-14个量级，更高的亮度意味着可以在空间、能量、时间等维度上获得更好的分辨能力和更高的实验效率。对于物质结构探针——X射线而言，更高的亮度则意味着能将物质内部的微观结构“看”得更清楚，因此，获得更高亮度的X射线源一直是科学技术人员孜孜不倦追求的目标。

偏振性

同步辐射具有天然的偏振性，其电矢量的振动主要在与弯转轨道平面平行的方向上，偏振度依赖于光线与该平面的交角，同时也是波长的函数。对于整个频谱，平行分量占总辐射功率的87.5%。对于单色光，光子能量越高，平行分量占的比重越大，偏振度越高。辐射的偏振性对样品的各向异性研究起至关重要的作用。

脉冲时间结构

电子因同步辐射损失的能量需要通过高频加速电场补充，该电场的强度随时间周期性变化，将电子束分割为若干个不连续的束团，因此，产生的同步辐射也是脉冲的，脉冲宽度等于单个束团的长度，脉冲间隔则等于相邻束团之间的距离，具有时间分辨。脉冲性的时间结构使同步辐射特别适宜于对某些动态过程进行研究。

高真空环境（洁净性）

同步辐射的电子束处于超高真空环境中，光束不必穿过隔窗和气体，对于容易被空气吸收的真空紫外能段有重要意义。

可计算性

同步辐射的发光机制只涉及高能电子在磁场中的运动，完全由基本物理规律主宰，无需考虑诸如介质密度涨落、化学纯度、温度分布等一系列难以精确测定的因素，其光子通量的光谱分布、偏振性和角分布等特性都可以用公式计算。这一优点使同步辐射源可以作为覆盖宽阔频段的标准光源，对其它光源和探测器进行校准。