同步辐射那些事儿

来源: yewzeaxfhp 2022-4-1 23:53:25 显示全部楼层 |阅读模式
人类文明的发展,始终与光相伴,光的利用和开发是人类文明史的一部分。1879年,电灯的发明照亮了黑夜;1895年,X射线的运用使得我们能够透视肉眼看不到的世界;20世纪初,更亮更纯的激光被用于研究单个原子;1947年,科学家发现当自由电子做环形高速运动时会发射电磁辐射,由此人类再添探索微观世界的利器。毫不夸张地说,每引出一束光就能照亮一个学科领域里一些不为人知的“阴影”和“角落”。迅速发展的同步辐射,更是凭借其无可比拟的优异特性,成为研究者们进一步探索物质世界的“眼睛”。

宏观的世界有多大?人类对宏观世界的探索从未停止,目前距离地球最远的人类探测器是“旅行者1号”,距离地球约125天文单位(地球到太阳距离为1天文单位,约1.5亿km),“旅行者1号”至今仍然高速地在宇宙中航行。微观世界到底有多小?如今已经探测到质子内部夸克尺度至10−20m,但仍然没有探索到微观世界的“底”。近年来,我国自主研发的高科技装置不胜枚举,从看向宇宙深处的中国“天眼”,到再创中国深度的“蛟龙号”,极大鼓舞了我国科技兴国的信心。

人类在这个世界上有两个目的:认识世界和改造世界。前者以后者为目的,共同目的是促进人类的生存和发展。人类是怎样认识自然世界的呢?主要是靠我们的视觉、听觉、嗅觉、触觉、味觉,但最基本的,就是用眼睛观察世界。1608年望远镜的发明,让人类把视野拓展到广袤的宇宙。1671年显微镜的发明,让人类看到了肉眼无法看见的微生物世界。但是这些都还只是局限在可见光的范围。1895年,X射线的发现把人类对世界的认识拓展到微观世界,至此人类对物质结构的认识深入到原子水平。

20世纪20年代,加速器的发明,开启了人类用高能粒子来研究微观世界的时代。加速器通过电磁场使带电粒子加速,其获得的能量和加速长度成正比。而为了获得更高能量的粒子,需要不断增加加速器的长度,由此科学家发明了环形回旋加速器。由于被加速粒子质量和能量之间的制约,传统的回旋加速器无法得到较高能量的粒子。为此,科学家们进一步研发出了同步回旋加速器,其磁场强度与粒子能量呈正相关,粒子回旋频率与高频加速电场同步,突破了传统回旋加速器的能量限制,在此基础上又进一步发展了同步加速器技术,以实现更高能量的粒子加速。但是高能粒子在闭合的环形加速器中运动时,当运动方向改变时,会在切线方向发出辐射,造成能量损失。在同步加速器上,第一次实验观察到引起加速粒子能量损失的辐射,这种辐射被称为“同步辐射”(图1)。



图1 人类探索世界的历程

同步辐射是指速度接近光速的带电粒子在做曲线运动时沿切线方向发射出的电磁辐射,它的光谱很宽,可以覆盖从红外、紫外、软X射线到硬X射线的光谱范围,为众多基础科学领域和应用研究提供先进手段。从此人类对世界的探索,在空间上拓展到原子与分子尺度,在时间上拓展到纳秒、皮秒或飞秒尺度。通过同步辐射光源,我们能够看到以前难以观察的物质内部结构以及变化过程。同步辐射光源是基于同步加速器的装置,其主要组成部分包括:注入器、储存环、光束线、实验站。同步辐射光源被称为高品质的巨型X射线机和超级显微镜,具有高亮度、高准直性以及波长可调等不可替代的优点,是支撑众多学科前沿基础研究与高新技术研发不可或缺的实验平台(图2)。


图2 第三代同步辐射光源主要组成部分及对应波段

随着科学技术的发展和应用需求的增加,世界各国对同步辐射光源的发展建设都很重视,目前同步辐射光源已经发展至第四代:第一代是寄生在高能物理装置上的兼用装置;第二代是专门设计、用于同步辐射应用的专用光源;第三代是低发射度、大量采用插入件的专用光源;第四代则是以衍射极限储存环为发展方向的新一代光源,将进一步降低发射度,以提高光源的亮度和相干性(图3)。


图3 典型的同步辐射光源装置亮度进展

从20世纪70年代开始,我国完成了三代光源的发展,分别是北京同步辐射装置(第一代)、合肥同步辐射光源(第二代)和上海同步辐射光源(第三代)。与第三代同步辐射光源相比,第四代同步辐射光源的亮度要高出100~1000倍。第四代同步辐射光源可以让我们更清楚地了解物质的内部结构,这对材料科学和生命科学的发展具有重要作用。

同步辐射早已走出实验室,在实际应用的各个领域大放异彩。如今,同步辐射光源已成为尖端科学研究及工业应用不可或缺的实验利器,可广泛用于材料、生物、医药、物理、化学、地质等领域。近几十年,有五届诺贝尔化学奖获得者,他们的研究成果直接用到了同步辐射光源。1997年,约翰·沃克(John E. Walker)利用同步辐射光源,解析出三磷酸腺苷蛋白的结构,因而获得诺贝尔化学奖。进入21世纪之后,对同步辐射光源的利用更加普遍,在同步辐射光源的辅助下,蛋白质晶体学领域还获得了2003年、2006年、2009年、2012年的诺贝尔化学奖(图4)。



图4 研究成果直接用到同步辐射光源的五届诺贝尔化学奖获得者

在这个时期,得益于先进第三代同步辐射光源—上海光源的建设与运行,我国同步辐射应用发展也进入了快车道,无论是同步辐射用户群体的急速壮大,还是大批高水平应用成果的产出,都已成为新世纪我国科技大发展的靓丽标志与缩影。发现外尔费米子、实现甲烷绿色高效转化、解析转录激活效应蛋白特异性识别DNA的结构基础、解析首例人源葡萄糖转运蛋白GLUT1的晶体结构、揭示禽流感病毒H7N9感染传播机制等一批具有重大国际影响的成果问世,推动了诸多学科研究领域进入国际最前沿。助推自主研发的抗癌新药泽布替尼成功上市、攻克高性能纤维制备关键工艺问题,则是先进光源直接服务于高技术与新兴产业发展的经典案例。2019年年底,一场突如其来的新冠肺炎疫情彻底打乱了人们的工作与生活节奏,除了切断传染途径、控制病毒传播、对症治疗病人之外,弄清新冠病毒结构,厘清进入人体细胞的机制也至关重要,这对尽快发明阻断病毒进入人体细胞的抑制剂和疫苗具有极为重要的意义。中国率先解析了新冠病毒主蛋白酶结构、揭示了S蛋白及入侵机制等一系列研究成果,为抗体、特效药及疫苗研发提供了关键信息,为我国成功抗击新冠肺炎疫情做出了重要贡献。同步辐射应用领域是如此广泛,我们无意在此列出一张长长的却仍然是挂一漏万的重大成果清单。过去十多年,我国在同步辐射光源上积累的光源建设经验与应用研究工作,在部分领域已跻身国际最先进水平之列,奠定了我国在同步辐射领域可与国际先进水平竞争发展的良好局面。

同步辐射光源正在经历从第三代到第四代的跨越。第四代同步辐射光源是基于衍射极限储存环技术,亮度将比第三代光源提高几百倍以上,相干性更好,对世界科技变革的影响难以估量,已成为当前国际竞争的热点。高亮度光源发展的另一条技术路径—自由电子激光的发展,使得人类能够在原子分子水平上动态认识世界。自由电子激光的原理是通过自由电子和光辐射的相互作用,电子将能量转送给辐射而使辐射强度增大。自由电子激光的发展将为多学科提供高分辨成像、超快过程探索、先进结构解析等尖端研究手段,必将有效推动诸多学科领域的基础和应用研究的发展(图5)。



图5 自由电子激光

我国已开启建设第四代同步辐射光源的新征程,2019年6 月在北京怀柔启动建造了我国首台高能同步辐射光源,建成后将成为世界上亮度最高的第四代同步辐射光源之一的高能同步辐射光源。目前我国多个地区提出建设的第四代同步辐射光源包括:武汉光源、深圳光源、南方光源、重庆光源等。其中,武汉光源提出产业应用与科学研究并重、当前需求与未来发展并重,促进科教研产深度融合的应用目标。武汉光源采用双环设计,低能环以产业应用为主,兼顾相关领域科研需求。中能环主要瞄准多学科前沿领域应用研究以及工程材料、芯片检测、能源催化、生物医药等产业应用研究。武汉光源的建设将在推进中部地区打造世界级大型多学科研究平台、助力中部崛起与发展等方面发挥不可替代的关键作用。

同步辐射:从发现到科学应用

付磊  何建华  曾梦琪 著

北京:科学出版社,2022.2

ISBN 978-7-03-071472-5

责任编辑:邵娜

shaona@mail.sciencep.com

《同步辐射:从发现到科学应用》共6章,主要内容包括同步辐射的产生、性质、实验方法、应用实例以及国内外发展趋势。第1、2章介绍同步辐射在物质科学研究领域的理论基础及实验方法。第3章介绍用同步辐射表征技术探究物质的组成与结构。第4章主要介绍同步辐射在物质成核生长、能源存储与转换以及多场调控下物质变化的应用实例。第5章介绍全球同步辐射光源的分布,概述各个光源的特色。第6章总结全书,并展望第四代同步辐射光源的发展前景。

本书可供材料、化学、物理、生命科学、环境科学等学科领域的高等院校和科研院所教师、科研人员及研究生参考,也可供以同步辐射装置为实验平台的各领域研究人员参考。本书写作风格偏向基础和科普,尤其适合刚刚涉猎同步辐射领域的研究人员阅读参考。

作者简介



付  磊,本科毕业于武汉大学化学学院,博士毕业于中国科学院化学研究所,国家自然科学基金委杰出青年基金获得者。于美国洛斯阿拉莫斯国家实验室从事博士后研究,后加入北京大学,任副研究员,现任武汉大学教授、博导。研究兴趣包括:原子制造、液态金属新兴应用。在利用同步辐射技术研究原子晶体生长机制方面具有丰富的经验。





何建华,本科毕业于北京大学技术物理系,博士毕业于中国科学院上海原子核研究所,2009年入选“新世纪百千万人才工程”国家级人选。多年从事同步辐射装置技术及其应用研究,参加了国家大科学工程上海光源前期研究、工程建造、开放运行及后续光束线站建设等工作。现任武汉大学教授、博导,主要从事先进同步辐射光源技术研究与装置建设工作。





曾梦琪,本科和博士毕业于武汉大学化学与分子科学学院,入选“国家级高层次人才计划青年项目”“博士后创新人才支持计划”。目前在武汉大学工作,任副教授、博导,主要研究方向是以器件应用为导向的二维材料的精准合成。

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(本期编辑:王芳)

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9v0o705ugs 2022-4-2 00:12:48 显示全部楼层
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822hebu9lv 2022-4-2 00:12:58 显示全部楼层
太棒了,终于找到了!
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29263p0a93 2022-4-2 00:13:09 显示全部楼层
点个赞,搞得不错!
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scfaajhllu 2022-4-2 00:13:10 显示全部楼层
学习了,谢谢分享、、、
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rzzgsansvh 2022-4-2 00:13:20 显示全部楼层
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梦雪213 2022-4-2 00:13:21 显示全部楼层
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2185b1s368 2022-4-2 00:13:21 显示全部楼层
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诗兰3134 2022-4-2 00:13:27 显示全部楼层
帮帮顶顶!!
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麹姗姗 2022-4-2 00:13:36 显示全部楼层
彪悍的楼主,不需要解释!
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