同步輻射光源被譽為“前沿科研的眼睛”“科技的燈塔”，是現(xiàn)代科學不可或缺的大型研究平臺。同步輻射光源就像觀測物質(zhì)微觀結構的“探照燈”，可以產(chǎn)生“全且亮”的X光，“看清”物質(zhì)結構的靜態(tài)構成和動態(tài)演化，從而推動材料科學、化學工程、能源、環(huán)境、生物醫(yī)學等多領域發(fā)展。中國有幾個同步輻射光源？合肥先進光源是做什么產(chǎn)品的？下面一起來了解下目前最先進的光源——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動的帶電粒子在彎曲的軌道上運動時產(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，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、材料科學、計量學、地球科學、環(huán)境科學、生命科學等各個領域的前沿研究突破和關鍵技術的實現(xiàn)提供了有力支持。

同步輻射實驗技術在眾多學科領域中的應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，但仍顯示了強大的研究支撐能力。第二代是專門設計用于同步輻射應用的光源，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。而當前正在全球范圍內(nèi)建設或升級的第四代光源采用多彎鐵消色散結構，將發(fā)射度進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研究帶來了新的機遇。

同步輻射的亮度決定了探測微觀物質(zhì)結構的時空分辨極限，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)結構更高分辨的實時探測。


合肥先進光源是做什么產(chǎn)品的

合肥先進光源（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)射度及亮度指標的設計目標為世界第一，建成后將是全世界最先進的衍射極限儲存環(huán)光源。

合肥先進光源國家重大科技基礎設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㎡，擬建合肥先進光源基礎設施和配套設施。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)覆蓋的先進光源體系，在物理、電子、信息、化學化工、材料、生命科學等領域發(fā)揮關鍵作用，加快推動合肥成為世界級光子科學研究中心和產(chǎn)業(yè)研發(fā)高地。

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

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

中國有幾個同步輻射光源

世界上正在運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多個光刻設備，而一臺EUV光刻機價格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，免費開放給科研人員使用，但實驗機時供不應求。上海光源于2016年開工，2018年產(chǎn)出第一束光，后續(xù)的升級建設是在已有的加速器旁新建更多的X光實驗設施（“線站”），滿足各個領域?qū)光的不同需求。北京正在建設一臺新的高能同步輻射光源，是目前世界上最先進、最強大的第四代光源。

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