照亮微观世界的“太阳”——上海光源
作者：龚宴欣（中国科学院大学）
在太阳的照耀下，我们可以看到一个绚丽的物质世界，大到崇山峻岭，小到蝼蚁浮尘，一花一草皆历历在目。本以为我们眼睛所看到的这一切就是世界的全部，殊不知在这背后却还隐藏着一个“黑暗”的微观世界。
依据波长的不同，我们可以将光分为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、真空紫外线、软X射线、硬X射线和伽马射线等，不同波段的光具有不同的特性，可以探索不同的领域，所以我们可以借助这一系列光来照亮这个“黑暗”的微观世界，而能够产生这一系列光的“太阳”就是我们今天谈到的主角——上海光源（视频介绍在此）。
上海光源（Shanghai Synchrotron Radiation facility, 简称 SSRF）是一台第三代中能同步辐射光源，其性能位居国际前列，由中国科学院与上海市人民政府共同建造的国家重大科学工程，也是我国迄今建成的规模最大的国家重大科学装置。
它由全能量注入器(包括150MeV电子直线加速器、周长 180 米的全能量增强器和注入/引出系统)、电子储存环(周长 432 米，能量 3.5GeV)、光束线和实验站组成。在这个巨型装置中，全能量注入器提供电子束并使其加速到所需能量，接近光速的电子束在环形真空电子储存环中运行时，在转向时释放出从远红外线到硬X射线等不同波长的同步辐射光。这些光按照用户的要求进行准直、聚焦等再加工，然后输送到用户实验站。
上海光源自2004 年开始建造，2009 年首批 7 条线站建成并投入使用，目前每天能容纳数百名来自国内外不同领域的科学家进行基础研究和技术开发。
上海光源外景（图片来自中国科学院上海应用物理研究所）
上海光源内景（图片来自中国科学院上海应用物理研究所）
在刚刚结束不久的科技周北京主场以及我国十二五成就展上，大家问得最多的一个问题就是，什么是同步辐射光源？
这个问题其实可以分为两个部分：同步辐射和光源。
光源主要可以分为三种。第一种是热效应产生的光，如太阳、蜡烛。第二种是原子跃迁发光，如荧光灯和霓虹灯。第三种是带电粒子加速运动时所产生的光，如同步加速器发出的同步辐射光。上海光源属于第三种。
同步辐射是速度接近光速的带电粒子在作曲线运动时沿切线方向发出的电磁辐射，其本质与可见光和 X 光一样，都是电磁辐射，但由于这种光是1947年在美国通用电器公司的一台同步加速器中发现的，因此被命名为同步辐射。
由于同步辐射造成的能量损失极大地阻碍了加速器能量的提高，因此早期的同步辐射一直被视为是一种需要排除的干扰因素。后来，科学家发现同步辐射具有常规光源不可比拟的优良性能，其具有强度高、覆盖的频谱范围广等一系列优点，而且可以任意选择所需要的波长且连续可调，因此成为一种科学研究的新光源。
从 70 年代开始，发达国家逐步开展了同步辐射的应用研究，其卓越的性能为人们开展科学研究和应用研究带来了广阔的前景，因此在几乎所有的高能电子加速器上都建造了同步辐射线站和实验装置。
同步辐射光源自 1947 年被发现以来，已有近 70 年的历史，随着研究工作的不断深入，研究领域的不断拓展，科学家对同步辐射光源的要求也不断提高，目前同步辐射光源已经历了三代的快速发展阶段。
第一代同步辐射光源是基于高能物理实验专用的高能对撞机的兼用机，如北京光源（BSRF）；第二代同步辐射光源是基于同步辐射专用储存环的专用机，如合肥国家同步辐射实验室（NSRL）；第三代同步辐射光源是基于性能更高的同步辐射专用储存环的专用机，如上海光源(SSRF)。这三代光源之间的最主要区别在于光源的电子束斑尺寸或电子发射度的不同。
例如第二代合肥同步辐射光源，其电子束发射度约150纳米弧度，而第三代上海光源，其电子束发射度约4纳米弧度，二者相差近4倍，结果得到的光亮度差1600倍，近三个量级；
另一显著差别是可使用的插入件的数量不同，第二代光源仅能安装几个插入件，而第三代光源可安装数十个插入件。由于插入件产生的光具有更高的亮度和更好的性能，所以插入件的多少直接影响到光源的性能。
目前世界上已建成的第一代同步辐射光源有 17 台，第二代有 23 台，第三代有 13 台（包括我国台湾及南韩的各 1 台），正在建造和设计的第三代同步辐射光源有 12 台。
上海光源的应用领域非常广泛，其中生命科学和医药学是上海光源应用的重要领域。
同步辐射X射线衍射方法是当前测定生物大分子结构的有效手段，是研究生命现象与生物过程的利器。研究病毒以及病毒与人体内发生作用的生物分子的结构，对于弄清病毒的致病机理与过程至关重要，利用这些结构信息有针对性地进行药物设计、合成与筛选，可以加快新药物研制的进程。
自2013年2月底暴发人感染H7N9禽流感病毒以来，我国科学家利用上海光源生物大分子晶体学线站（BL17U1）成功解析了此次流感暴发事件中最早报道的安徽株（A/Anhui/1/2013）和上海株（A/Shanghai/1/2013）的血凝素蛋白及其突变体与受体类似物的复合体结构，阐明了受体结合特性发生变化的结构基础，为H7N9病毒再发和新型流感暴发的防控策略提供重要的理论基础。
在医学诊断方面，采用同步辐射光源 X 射线的造影技术可以实现安全、高清晰的心血管成像，为心血管疾病的早期诊断提供安全、快速的诊断方法；在肿瘤诊断方面，利用同步辐射光的高分辨特点，可以发现很小的肿瘤，实现肿瘤的早期诊断从而提高了肿瘤的治愈率。
此外，利用上海光源所产生的高亮度同步辐射光束，可以揭示材料中原子的精确构造并得到有价值的电磁结构参数等信息，为我们探索和开发新材料提供重要信息。研究人员利用上海光源硬X射线微聚焦实验站，高压下可重新获得超导电性铁基超导材料的晶体结构，为理解这类新型铁基硫族化合物超导体的超导机制和探索新的超导体提供了启迪。
在环境方面，同步辐射X射线能在分子水平上还原环境污染物的形态，研究污染物的迁移和转化的复杂化学过程，从而评估污染风险和确定污染治理方案。
在地球科学方面，利用高亮度同步辐射X射线作为微探针，将能够深入地了解地壳深处和地幔中矿物的演变和转化，对于矿床地质、矿物、岩石、探矿以及地球化学研究起着重要的作用。
在微细加工技术方面，利用同步辐射X光深度光刻技术，可以研制出微型传感器、和微型光电部件等，目前科学家正尝试将同步辐射光刻技术应用于高集成化的集成电路中。
在化学工业中，利用同步辐射光可以研究催化机理及其特性，这有助于研究发明新型催化剂，从而提高效率和产出。以天然气替代石油生产液体燃料和基础化学品，一直以来都是学术界和产业界研发的重点。我国科学家创造性地构建了硅化物晶格限域的单中心铁催化剂，利用上海光源X射线精细结构线站，获得催化剂单铁中心活性位的结构，揭示了单铁活性中心抑制甲烷深度活化从而避免积碳的机理，成功实现甲烷在无氧条件下选择活化，“一步”高效生产乙烯、芳烃和氢气等高值化学品，选择性大于99%，未来的推广应用将为天然气、页岩气的高效利用开辟一条全新的途径。
……
上海光源还广泛应用于其他众多领域的研究，这里就不一一介绍了。
上海光源在运行的这7年间，已经为来自国内外392家单位，共1900多个课题组近13000名科研人员提供了光源实验研究平台，研究人员借助上海光源，在各自的领域取得了一系列世界级的研究成果。科学家将通过上海光源这台超级“显微镜”，带领我们一步步揭开微观世界的神秘面纱。
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