什么是同步辐射光源

同步辐射光源是一类利用高能电子在磁场中做曲线运动时产生的电磁辐射的高亮度光源，具有亮度高、频谱宽、准直性好、偏振可调等特点，广泛应用于材料科学、生命科学、化学、物理学等领域。根据发展阶段和技术特点，同步辐射光源主要分为四代，此外还有基于受激辐射的自由电子激光（FEL），常被视为同步辐射的延伸。以下是详细介绍：

一、第一代同步辐射光源（1960s-1970s）

特点：早期利用粒子物理加速器（如环形正负电子对撞机或质子同步加速器）的“副产品”，未专门优化同步辐射性能，亮度较低。
代表装置：

• 美国Tantalus（1961年，首个专用同步辐射实验站）；

• 法国ACO（1965年，小型电子同步加速器）；

• 德国DESY（早期曾用于同步辐射研究）。

二、第二代同步辐射光源（1980s-1990s）

特点：专为同步辐射应用设计的储存环，通过降低电子束发射度（衡量束流品质的关键参数）提升亮度，首次实现“专用化”。
代表装置：

• 美国NSLS（国家同步辐射光源，1982年，能量0.8-2.5GeV）；

• 日本Photon Factory（PF，1982年，能量2.5GeV）；

• 德国BESSY I（1982年，能量0.8GeV，后升级为BESSY II）。

三、第三代同步辐射光源（1990s至今）

特点：引入插入件（如波荡磁铁、弯转磁铁）增强辐射，并通过超导磁体、低发射度储存环等技术大幅提升亮度和稳定性。亮度比第二代高1-2个数量级，成为当前主流。
代表装置：

• 美国APS（先进光子源，1996年，能量7GeV，插入件主导）；

• 欧洲ESRF（欧洲同步辐射装置，1994年，能量6GeV，2020年升级为ESRF-EBS，进入第四代）；

• 日本SPring-8（1997年，能量8GeV，全球最高能量储存环之一）；

• 中国上海光源（SSRF，2009年，能量3.5GeV，国内首台第三代光源）。

四、第四代同步辐射光源（2020s起）

特点：基于衍射极限储存环（DLSR）设计，目标是将电子束发射度降至“衍射极限”（约10 pm·rad以下），使X射线束斑尺寸接近其波长（~0.1 nm），亮度比第三代再提升1-2个数量级，支持更精细的结构解析和时间分辨研究。
代表装置：

• 欧洲ESRF-EBS（2020年升级完成，发射度从100 pm·rad降至约10 pm·rad）；

• 美国ALS-U（先进光源升级，2024年投运，能量1.5GeV，发射度<10 pm·rad）；

• 中国北京高能同步辐射光源（HEPS，2025年建成，能量6.8GeV，发射度<10 pm·rad，国内首台第四代光源）；

• 德国PETRA IV（2026年投运，能量6GeV，发射度<10 pm·rad）。

五、自由电子激光（FEL，同步辐射的延伸）

特点：基于受激辐射原理，利用高能电子束通过周期性磁场（波荡器）激发相干X射线，峰值亮度比同步辐射高10⁹倍以上，脉冲宽度可达飞秒（fs）甚至阿秒（as）级，适合超快过程研究。
代表装置：

• 美国LCLS（直线相干光源，2009年，硬X射线FEL）；

• 欧洲XFEL（欧洲X射线自由电子激光，2017年，覆盖红外到硬X射线，全球最长波荡器）；

• 日本SACLA（日本X射线自由电子激光，2012年，硬X射线FEL）；

• 中国上海软X射线FEL（SXFEL，2021年，软X射线波段）；

• 中国硬X射线FEL（HXFEL，建设中，能量覆盖0.1-30keV）。

总结

同步辐射光源从早期的“副产品”发展为第四代衍射极限储存环，不断突破亮度与性能极限；自由电子激光则以其超高亮度和超短脉冲，拓展了时间分辨和瞬态过程的研究边界。不同代际的光源互补，共同支撑前沿科学研究。