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核“姿势”205---合肥的第四代同步辐射光源,何以称为国际最先进?

关键词:辐射检测仪_便携式辐射检测仪_辐射报警仪_表面污染仪_环境级辐射仪_多功能辐射仪_测氡仪_辐射剂量仪 网址:www.radonbj.com 日期:2020/1/22 20:58:39



据新华社11月10日报道,在成功建设运行我国第一台专用同步辐射光源的基础上,合肥综合性国家科学中心正筹建国际上最先进的低能区第四代同步辐射光源。日前,该光源预研方案已通过专家论证并正式启动。

一周以内,又有类似大科学装置、科学中心等相关新闻纷至沓来,我就来介绍一下这个是用来干嘛的。

什么是同步辐射?

首先,同步辐射是一种光。

其次,同步辐射和同步这个词的关系不大,只是它最初是在通用电器的一个同步加速器上被发现的,故而被定名同步辐射。正如X射线又被称为伦琴射线一样。

再次,产生它其实“只”需要三个条件:1,带电粒子(常用如电子,氦原子核);2,带电粒子非常接近光速运动(一般专业点称之为相对论性的速度,即达到此种速度,其性质就可以套用相对论公式,而经典物理的公式已经无法描述其各种性质了);3,带电粒子非常接近光速的情况下时走曲线。

此时,这个曲线上的切线方向上就会放出这种同步辐射。比如下雨天很多人打伞都喜欢转伞,伞沿甩出的水珠就是走的所谓切线方向。(请在四下无人时尝试,小朋友不要乱学哦)

所以,同步辐射就是一种光。

我们用的也就是这种光,这种光是一种全频谱即包含红外线,可见光,紫外线和X射线全光谱的光,这种光最突出的优点方便大家理解的可以概括为全且亮。(实际上还有很多优点,如高偏振,窄脉冲,高准直等)

可见光只是所有的光中极小一部分

产生同步辐射光的我们称之为同步辐射装置,又称同步辐射光源。既然称光源可能有一个比较,就是常规光源,大家在医院拍摄X光,拍CT用的就是常规光源。它们优点是结构简单,缺点是基本是单光谱,而且亮度不够。

当探测到微观世界时,光就成了我们的尺子,而刻度就是光的波长。

这时同步辐射的优势就出现了,不仅全光谱而且可以简单分离出其中任意波长的光。对于什么尺寸的东西我们用什么尺寸的光来研究,因为这时衍射散射的条件才具备。同时高亮度就意味着我们能更快看清微观世界的信息。

前面提到亮度不够主要是针对我们探测微观世界时的需求。正如大家夜间在家找东西,最简单的照明方法就是打开家中最亮的灯,让眼前一目了然,从科学意义上讲,就是更多的光子被你的眼睛接受,让你大脑更快对周边所有情况有所了解。而同步辐射就是我们探测微观世界时那盏最明亮的灯,到微观世界后,分到一个相对你桌上任何一个你可见或你需寻找的东西,我们通常研究的都是它的千分之一到百万分之一尺寸上的东西,要确保足够的光子打到上面并散射衍射再被探测器探测到,没有足够的亮度(光子数),我们就需要足够的时间。

比如探测两个原子之间化学键的共振信号,需要N个光子,如果每秒只有一个光子打在这个键上,并产生信号,那么之后你就需要等N秒,而有N个光子时,你便只需一秒。当N不过是几十这个量级时,等上一分钟似乎并不成问题,但当这个数量级达到十亿这个量级时,三十年就一晃而过了。

各代光源最主要的差别(一二代之间除外),以及提高的参数其实主要就体现在亮度上。而这一步步的升级其实就是一级级更高层次的科研平台,基本和奥运追求一样:更高,更快,更强。

我们中国截止目前有四个作为大科学装置的同步辐射光源(所有同步辐射装置都属于大科学装置范畴)正在运行,北京正负电子对撞机(BEPC,在北京高能所内),合肥国家同步辐射实验室(NSRL,在中国科学技术大学西区内),上海光源(SSRF,位于张江)以及坐落于台湾新竹的同步辐射装置。

北京正负电子对撞机被称为一代光源,合肥国家同步辐射实验室被称为二代光源,上海光源被称为三代光源。现在要建的就是四代光源。其中一个主要升级的性能就是亮度,就是更快看清微观世界。

不仅合肥要建,北京,上海都要建。一言以蔽之:现在咱有钱了,任性。当然这是个玩笑,其实三个要建的也是各有专长。国家在做规划时也不希望重复做同样的东西,搞粗放型扩张,希望各擅胜场。我们主要的特点是在低能端(小于2Gev),北京上海将主要覆盖中高能端。之所以如此,一言以蔽之:合肥没有北京上海有钱。当然这也是个玩笑,虽然也确实有事实成分。

一般来说同步辐射光源都是近似这个样子。

图2,八个世界著名的国外同步辐射光源

内部结构以国家同步辐射实验室为例:

NSRL的结构图,基本的同步辐射装置一般都是由一个直线加速器,电子储存环和实验线站组成 

直线加速器一般深埋地下,它们负责把电子加速到接近光速

电子储存环,光速的电子束被磁场引到此处,便会将会被一个强大磁场约束在这个环内一圈圈跑,每次转弯便给切线方向的线站送去一波脉冲的同步辐射光,每秒光会在NSRL储存环里转上超过450万圈。利用这种脉冲性,我们可以研究一些快速化学反应或物理过程的中间态

实验室内部俯瞰图,中间就是储存环,外围就是一个个线站,这些线站就是作为科学研究的一个个平台,提供给全国科研工作者使用,储存环被一米厚的铅墙包裹在里面,使得线站工作环境的辐射剂量比在阳光下还小

第一代光源和第二代光源其实并没有本质上的区别,只是第一代光源设计主要是用来做高能物理实验,即加速带电粒子到光速,再让它们去撞击其他粒子,研究包括核内微结构,基本粒子性质等一系列你懂的,你不懂的,你希望懂的以及你根本不理解为何要懂的科学问题。

它提供同步辐射来研究属于“票友”性质,被称为兼用光源,作为同步辐射光源时,它叫北京同步辐射装置(BSRF)。

从二代光源开始同步辐射装置才正式成为专用光,设计上与一代便各有侧重。

北京正负电子对撞机和合肥国家同步辐射实验室都是文革后很快立项九十年代初通过验收(北京正负电子对撞机八八年完成第一次正负电子对撞,九零年验收;合肥国家同步辐射实验室九一年出光,同年底通过验收)。

各种时间节点几乎就有很多值得说的地方,期间很多困难挫折令人唏嘘,此处只能略过。很多院士教授们自己学了机床来加工在当时中国只存在带回的资料上描述的各种零部件。

但当我们真正做起来,等到我们准备升级时,全世界的供应商基本全来了,因为他们知道已经不可能封锁我们了,他们不卖,只会让自己蒙受损失。

2010年10月我曾在法国做过短暂的访问研究,在法国SOLEIL(光源全称的缩写,这个法语单词意思就是太阳)光源时,一个叫Patrick的意大利科学家和我说过一句令我印象深刻的话:“Except detecter, everything is from China.(除了探测器,所有其他都是从中国来的)”。我问了一下探测器哪来的,答:德国。显然,我们已经是毋庸置疑的制造大国,但是在有些最尖端领域上还略逊于世界最高水平。



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