科学家|引导尖端科技的「科学神灯」——追光之旅：你所不知道的同步辐射科学实验

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引导尖端科技的「科学神灯」——《追光之旅：你所不知道的同步辐射》
【科学家|引导尖端科技的「科学神灯」——追光之旅：你所不知道的同步辐射】大家都知道，光线是否充足对拍照质量有决定性影响，户外拍照比起昏暗的室内容易拍到漂亮的相片；然而，光的亮度，对科学实验也非常重要。
同步辐射是当今世上最亮的光，它的光通量及光亮度都远优于传统光源。
正因如此，过去科学家因实验光源亮度不够而无法探测的结构，现在藉由同步辐射都能分析得一清二楚，而原本使用传统 X 光机可能需要几个月才能完成的实验，如今则仅需要几分钟就能取得漂亮的实验数据。
简言之，同步辐射是在固定轨道上运行的高速电子因磁场作用而偏转的过程中，所辐射出来的电磁波。相较于其他光源，利用偏转磁铁产生的同步辐射，能谱范围更宽广，而且拥有高亮度、高稳定度、高准直度、光束截面积小、波长连续、具有时间脉波性与偏振选择性等特色，辐射强度和功率都可由电磁学的理论计算预测，大幅提高实验效率和准确度。
同步加速器光源（简称同步光源）是指为了产生供科学实验的同步辐射所建的设施。一般而言，同步光源会采用两座同步加速器来产生高质量的同步辐射。第一座加速器把电子加速到接近光速，称为「增能环」；达到特定能量的电子送进第二座加速器后，不再额外加速，仅维持电子的能量，相当于把这些电子「储存」起来，累积到足够的电流量，再利用所产生的光做实验，因此称为「储存环」。
这段过程，电子束在每一圈的运行中，都会在偏转磁铁切线方向或插件磁铁下游放出同步辐射，而储存环中的超高真空环境，让带电粒子束不易被其他分子散射，并且有精准的回馈系统，因此光源稳定，容易控制实验条件，且可聚焦在很小的实验样本上，成为科学研究的利器。
在二十一世纪的现代，同步光源的重要已毋庸置疑，然而它并非一开始就受到科学家青睐，甚至还曾遭到嫌弃。
国家同步辐射研究中心。
从附属品到建置专用设施
从五○年代至今，同步光源的角色，历经几个不同世代的演进。
第一代的同步光源，是与高能物理研究的同步加速器共享，但两者的研究需求并不相同，甚至背道而驰。
产生同步辐射的过程会损失能量，但在高能物理研究中，并不希望粒子碰撞前产生非必要的能量损失，否则电子束的轨道与功率都会因而改变，所以当时的科学家其实十分讨厌「成事不足、败事有余」的同步辐射。
不过，在随后的十年里，一些科学家逐渐发现，高能物理实验不用的电磁波其实可以当成颇有价值的光源，运用于光学及探测、生物医学、材料科学、地球科学、环境科学等基础和应用研究，从此改变了同步辐射「寄生」在高能物理实验之下的命运。
到了七○年代，科学家逐渐体认到同步辐射有其优异性，开始想要开发专用的光源设施，获得更亮、更聚焦的光束，于是先进国家纷纷开始兴建专门为产生同步辐射的第二代同步加速器。
第二代同步光源将增能环与储存环分开，出光质量较佳，使同步辐射的应用更广泛、更多样化；随着带电粒子的速度愈接近光速，辐射就愈集中，发出的电磁波涵盖整个电磁波频谱，从红外光、可见光、紫外光、低能量的软 X 光到高能量的硬 X 光及伽玛射线。
八○年代之后，科学家开始意识到储存环的长直段更重要，可以加入插件磁铁，让电子由偏转一次变成多次偏转，并且压低束散度，产生更强、更亮的光束，这就是第三代同步光源。
近代科研最具影响力的光源
半个多世纪过去，目前全世界供实验用的同步光源设施已经超过七十座，其中第三代加速器多于 1990 年后陆续建造完成，各国在同步光源设施的建造能力及研究成果，也成为国家高科技研发实力的重要指针之一。
到了 2015 年，同步光源的发展达到物理极限，进入第四阶段，成为采用多重转弯磁格 2 的同步加速器，可以将电子束的束散度减少百倍，直到触及绕射物理极限。