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同步辐射篇(一):同步辐射基础
上次我们介绍了X射线吸收光谱的基础知识，相信大家已有一些初步印象。
与常规XPS、XRD、TEM等表征手段相比，基于同步辐射的XAFS测试一直都是珍贵紧俏的资源，一个重要原因就是作为大科学装置的同步辐射光源，造价高昂。今天我们给大家介绍一些同步辐射的基本知识。
1. 什么叫同步辐射？（Synchrotron Radiation，SR）
同步辐射是相对论性带电粒子在电磁场的作用下沿弯转轨道行进时发出的电磁辐射。（《同步辐射光源物理引论》，刘祖平，中国科学技术大学出版社）
从定义可以看出，同步辐射或者同步光的产生需要满足以下三个条件：
（1） 有带电粒子，即不一定是电子，也可以其他带电荷的粒子；
（2） 粒子要是“相对论性”的，也就是要求粒子能量要高，速度要接近光速；
（3） 要求粒子运动方向与电磁场有夹角。
满足以上三个要求，就可以产生同步辐射了。它是一种“辐射”，为什么是“同步”的呢？那是因为最早的“人工”同步辐射是在一台“同步加速器”上观察到的（1947年在美国），后来就约定俗成的叫开了。根据同步辐射的定义，我们可以推想，宇宙射线中包含有大量“天然”同步辐射。
图1 电子在磁场中偏转产生同步辐射的示意图
2. 为什么需要同步辐射？
1. 同步辐射强度高，亮度大
严格的光源亮度(Brilliance)考虑了径向发散度(Radialdivergence)，比较复杂。此处我们简单地可以将亮度理解为单位面积和单位时间内的光子数目。典型的同步辐射光源亮度比X射线靶产生的亮度，高约6-10个数量级。一般而言，光源亮度越高，其信噪比就越好。
图2 美国的一些同步光源的亮度对比
一般而言，XAFS实验的光束亮度典型值为10^14-10^15量级，其能量约为10 KeV.
2. 同步辐射光连续可调
XAFS得到的是吸收系数—光子能量的谱图，因此要求在采谱过程中，吸收光谱的的入射光子能量要求在较大能量范围内连续可调，只有同步辐射光在大的能量范围内能保持高的强度。
作为对比，实验室用的阳极靶材一般只有亮度最高的X线用于实验，如XRD 用Cu靶，Cu的特征谱线波长为：Kα1(8265.6eV , 1.54056 ?), 而XPS双阳极对应的X射线能量为Mg靶Kα1为9.8903?(1256.3eV)，Al为8.34?（1486.6eV）。X射线腔的其他能量的X射线，一般亮度很难达到实验的要求。
3.其他特点
同步辐射还具有高准直性、偏振性（SR是偏振光）、脉冲时间结构（因为SR通常由电子束团产生）、洁净性（因为SR在超高真空下产生）等特性。
4. 同步辐射实验方法
结合同步辐射自身的特点，科研人员开发了许多实用的同步辐射实验方法（特别是X-射线技术），并通过这些实验方法，在诸多领域开展广泛的研究。目前比较典型的同步辐射表征手段主要有以下几种：X-射线衍射（XRD），小角X-射线散射（SAXS），X-射线生物大分子结构分析，X-射线吸收谱精细结构（XAFS），X射线磁圆二色（XMCD）技术，X-射线荧光分析（XRF），X-射线成像技术，真空紫外光电离质谱技术，光电发射技术和角分辨光电子能谱（ARPES），材料结构分析高压技术，同步辐射微纳加工技术（LIGA）等。
图3. 基于同步辐射的表征手段（图片来源：Science, 2011, 334, 1234-1239.）
3. 同步辐射装置的分代及基本构造
能够产生同步辐射的装置被称为同步辐射装置或同步辐射光源。自从同步辐射被发现，人们就开始对同步辐射进行理论研究，并对同步辐射装置进行设计和建造，以期能够获得优质稳定的同步光。到20世纪70年代，同步辐射光源逐渐开始投入实际应用。事物是不断变化和发展的，会经历更新换代，同步辐射光源也有自己的“代”。到目前为止，同步辐射光源可分为以下四代：
第一代是以高能物理实验为主的兼用光源，可以是储存环或同步加速器。如美国康奈尔大学CHESS光源，北京同步辐射装置BSRF。BSRF依托于北京正负电子对撞机，部分时间按同步辐射专用模式运行，在专用模式下，总体性能大体达到第二代光源水平。
第二代是同步辐射专用光源，典型设计为利用弯转磁铁产生同步辐射，它们都是电子储存环，通常能量较低。如美国布鲁克海文国家实验室NSLS光源（800MeV），巴西国家同步辐射实验室LNLS光源（1.37GeV），合肥国家同步辐射实验室NSRL光源（800MeV）。NSRL适于开展软X射线和真空紫外波段的研究，可向波长更长的红外、远红外波段扩展。第一代和第二代是按照加速器装置的首要目的进行分类的。
第三代也是同步辐射专用光源，与第二代光源的区别在于光源能量更高。比如美国阿贡国家实验室的APS光源（7GeV），劳伦斯伯克利国家实验室的ALS光源（1.9GeV），欧洲同步辐射装置ESRF（6GeV），德国的BESSYⅡ光源（1.7GeV），英国的Diamond光源（3GeV），法国的SOLEIL光源，日本的SPring-8光源（8GeV），上海同步辐射装置SSRF（3.5GeV）。SSRF建成后，中国大陆有三台同步辐射光源同时运行，布局更趋合理。目前在世界范围内，第三代是同步辐射光源的主流。
第四代则被认为是自由电子激光（FEL）光源。X射线自由电子激光不仅能产生无与伦比的高亮度辐射，而且辐射具有完全的横向相干性，并且是脉冲式的。比较有代表性的FEL光源有美国的LCLS光源，德国的Euro XFEL光源等。中国在近期也提出了兴建软XFEL和硬XFEL装置的计划。
图4. 同步辐射装置的发展（图片来源：Science, 2011, 334, 1234-1239.）
同步辐射光源的建设和维护都是系统复杂的工程，装置本身由大量元件组成。我们以典型的第三代光源——APS为例，简单介绍机器的基本构成。
（1） 直线加速器：为电子提供初速度；
（2） 增强器：电子被进一步加速；
（3） 储存环：注入电子后产生同步辐射，储存环会安装各种插入原件，比如扭摆磁铁（Wiggler，是磁场最强、总辐射功率最高的插入元件）、波荡器（Undulator，最大特点是高亮度）；
（4） 光束线及实验站：由端口引出若干条光束线，束线末端建实验站。
图5. 同步辐射光源的基本构造
4. 国内的同步辐射光源
目前，国内已经有多套同步辐射光源装置，如玉泉路上的北京同步辐射装置（BSRF，第一代光源）、中科大里的合肥国家同步辐射国家实验室（NSRL，第二代光源）、张江高科的上海光源（SSRF，第三代光源），以及马上投入运行的大连的深紫外以及上海软X射线自由电子激光（FEL）装置（第四代光源）。另外在台湾也有两台光源。
下面我们将对这些光源做一些简单介绍。
4.1. 上海同步辐射光源
http://ssrf.sinap.ac.cn/1/jianjie.htm
上海光源（ShanghaiSynchrotron Radiation Facility, SSRF）由150MeV电子直线加速器、3.5GeV 增强器、3.5GeV电子储存环（周长为432米）以及沿环外侧分布的同步辐射光束线和实验站组成。SSRF设计为先进的第三代中能同步辐射光源，其主要性能指标居国际前列。SSRF 产生的同步辐射光覆盖从远红外到硬X射线的宽广波段。利用低发射度的中能强流电子束和国际上插入件技术发展的新成就，在用途最广泛的X射线能区（光子能量为0.1~40 keV）产生高亮度和高通量的同步辐射光。
目前上海光源有软X射线谱学显微(ＳＴＸＭ)光束线站，Ｘ射线成像及生物医学应用光束线站，Ｘ射线衍射光束线实验站，Ｘ射线吸收精细结构谱线站，硬Ｘ射线微聚焦及应用（微束）光束线站，Ｘ射线小角散射光束线站(ＳＡＸＳ)，生物大分子晶体学光束线站和软X射线干涉光刻分支线站(XIL)。
4.2. 合肥国家同步辐射实验室
http://www.nsrl.ustc.edu.cn/
实验室建有我国第一台以真空紫外和软X射线为主的专用同步辐射光源（简称“合肥光源”）。其主体设备是一台能量为800MeV、平均流强为300mA的电子储存环，用一台能量800MeV的电子直线加速器作注入器。
2014年合肥光源升级改造完毕，储存环束流发散度显著降低，光源稳定性明显改善，接近三代同步辐射光源水平。合肥光源目前拥有10条光束线及实验站，包括5条插入元件线站，分别为燃烧、软X射线成像、催化与表面科学、角分辨光电子能谱和原子与分子物理光束线和实验站；以及5条弯铁线站，分别为红外谱学和显微成像、质谱、计量、光电子能谱、软X射线磁性圆二色光束线和实验站。
4.3. 北京同步辐射装置
http://bsrf.ihep.cas.cn/
同步辐射专用光运行的能量提高到2.5GeV，流强达到250毫安，提供从真空紫外到硬 X 波段的同步辐射光，提供 X 射线形貌术、 X 射线成像、 X 射线衍射、 X 射线小角散射、漫散射、生物大分子结构、 X 射线荧光微分析、 X 射线吸收精细结构、光电子能谱、圆二色谱、软X射线刻度和计量、中能 X 射线光学、高压结构研究、 LIGA 和 X 射线光刻等实验技术。
图6. 北京光源光束线及实验站示意图
此外，规划中的北京先进光源，预计建成全球最亮的光源。它建成以后将比美国已经刚刚建成的NSLS-II要亮70倍，比瑞典刚刚建成还没有投入运行的MAXIV要亮10倍。
5. 国外的同步辐射光源
关于国外同步辐射光源的介绍推荐如下网站：
http://www.lightsources.org/
http://www.ihep.cas.cn/dkxzz/bsrf/kepuyuandi/201010/t20101027_2997286.html
http://www.ihep.cas.cn/kxcb/zmsys/
图7. 世界主要同步辐射光源（图片来源于NSRL-Wu Group）
目前世界上正在运行或者在建的同步辐射光源约有80台，主要光源列举如下：
亚洲：
Spring-8——Super Photon ring-8GeV，目前世界最高能量的光源，位于日本兵库县，第三代光源；
PF——PhotonFactory，即著名的光子工厂，位于日本筑波市，2.5GeV；
PLS——PohangLight Source，即浦项光源，第三代光源；
印度、新加坡、泰国等国家也有同步辐射光源。
欧洲：
ESRF——EuropeanSynchrotron Radiation Facility，世界排名第三的高能光源，位于法国，第三代光源，6GeV；
SOLEIL——即著名的“太阳”光源，SOLEIL在法语中位太阳之意，第三代光源，2.75GeV；
BESSY Ⅱ——位于德国柏林市，第三代光源，1.7GeV；
Diamond——英国钻石光源，第三代，3GeV；
另外意大利、俄罗斯、瑞士、瑞典、丹麦、西班牙等国家也建有同步辐射光源。
美洲：
APS——AdvancedPhoton Source，世界排名第二的高能光源，位于美国阿贡国家实验室，第三代光源，7GeV；
ALS——AdvancedLight Source，位于美国劳伦斯-伯克利国家实验室，第三代光源，1.9GeV；
NSLS——NationalSynchrotron Light Source，位于美国布鲁克海文国家实验室，第二代光源，2.8GeV；
SSRL——StanfordSynchrotron Radiation Laboratory，属于美国斯坦福直线加速器中心（SLAC），改造后为第三代光源，3GeV；
CHESS——CornellHigh Energy Synchrotron Source，位于美国康内尔大学，第一代光源，5.5GeV；
LCLS——LinacCoherent Light Source，第四代FEL光源；
CLS——CanadianLight Source，加拿大光源，第三代光源，2.9GeV；
巴西等国家也有同步辐射光源。
大洋洲：
AS——AustralianSynchrotron，澳大利亚光源，位于墨尔本市附近，第三代光源，3GeV。
6. 后记
同步辐射理论及实验技术的发展有利推动了物理、化学、生物、材料、环境等学科的发展，许多重要的科技进展都是在同步辐射装置这一交叉学科平台上完成的。如英国的V.Ramakrishnan、美国的T.Steitz和以色列的A.Yonath在研究核糖体的结构和功能时，采用同步辐射X射线蛋白质晶体学方法成功绘制了核糖体原子的3D位置，并于2009年获得诺贝尔化学奖。日本科学家在Spring-8光源上利用同步辐射非弹性散射等技术，对水和冰的结构进行了研究，一些新发现解决了长久以来争论不休的关于水的性质问题。同步辐射在宇宙学研究方面也发挥着重要作用，比如科学们利用SOLEIL光源上的SMIS红外显微光谱，分析了彗星颗粒的内部结构和矿物组成，可更清晰地揭开太阳系的神秘面纱；日本的科研人员利用X射线微断层摄影技术（CT）等技术对隼鸟号探测器带回的小行星粉尘样品的三维结构及性质进行了分析，从而得到了有关小行星的演化信息。在国内，上海瑞金医院的陈竺和陈赛娟院士等利用同步辐射XAS技术研究了As2O3治疗白血病的机理，为白血病的治疗提供了理论和实践依据。清华大学的施一公院士和颜宁教授等利用同步辐射X射线晶体学及生物大分子结构分析技术，在细胞凋亡及转运蛋白的研究等方面取得了一系列进展。中国政府依托上海光源等大科学装置，筹建了国家蛋白质科学中心，并开始了“五站六线”的建设，同步辐射在生命科学研究中发挥着越来越重要的作用。可以说同步辐射光源是促进人类科技进步的“神灯”。
推荐参考资料：
http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=589004&do=blog&id=925231
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同步辐射篇(二):同步辐射是是什么？下雨天转伞就知道了 | 谢治
提升思维层次解读科学，洞察本质戳穿忽悠，粉碎谣言导读同步辐射是一种光，产生它需要三个条件：1，带电粒子；2，带电粒子非常接近光速运动；3，带电粒子非常接近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）本文来自微信公众号：观察者网（ID：guanchacn） 作者：谢治
本篇是因袁师兄的推荐经观网约稿而写成先发在观网的。笔者毕业后一直在同步辐射实验室工作，曾担任X射线精细结构吸收实验线站负责人，由于实验室的性质，我一直义务兼着承担科普和讲解的工作，很多去过同步辐射实验室的参观者很可能都还记得我。
约稿最初的原因是因为这条新华社新闻：合肥国家科学中心筹建国际最先进低能区同步辐射光源（http://www.gov.cn/xinwen/2017-11/10/content_5238521.htm）。此文发表一周以内（此新闻发表于2017.11.10），又有类似大科学装置，科学中心等相关新闻纷至沓来，作为一个专业工作人员，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，同步辐射作为一种光时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（同步辐射一年前已经被观察到，但却因为遵守操作规程而被错过，如果那位科学家继续研究，它会被这位科学家称为电子回旋辐射）。
再次，产生它其实“只”需要三个条件：1，带电粒子（常用电子，氦原子核）；2，带电粒子非常接近光速运动（一般专业点会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运动性质了）；3，带电粒子非常接近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。既然称光源就可以有一个比较，亦即常规光源。大家在医院拍摄X光，拍CT用的就是我们所说的常规光源。它们优点是结构简单，一般就是铅盒中放置一块放射性元素块，缺点是基本发射的辐射是单光谱，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。
单光谱意味着尺度只有一个，只能量正好这么长的东西，亮度低就意味着我们要用更长时间来看清楚某个物体。
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，而且非常亮，可以很快看清我们需要看清的东西。
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个光子同时打上去并产生信号，你便只需一秒。当N不过是几十这个量级时，等上一分钟对我们似乎并不成问题，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，作为同步辐射光源时，它称作BSRF），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参数就是亮度，为的就是更快看清微观世界。
不仅合肥要建，北京，上海等地也都要建。其实在未建之前，各个光源已经各自进行了数次升级，就是为了保证实验平台的先进性能与时俱进。这次建新的光源，主要是因为可以使性能大幅度提高的新的同步辐射技术的出现，而原有装置已缺乏升级空间。
一言以蔽之：科技进步了，也有更进一步的需求了，而且各自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，搞粗放型无序扩张，更希望各擅胜场，齐头并进。此次合肥新光源主要的特点是能量在低能端（小于2Gev），北京上海将主要覆盖中高能端。
一般来说同步辐射光源都是近似这个样子。
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，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（周长66米），外围就是一个个被称为线站的实验站，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免费使用，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，北京正负电子对撞机就是一代兼用光源，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，国家同步辐射实验室就是二代专用光源。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。但当我们真正把北京正负电子对撞机和国家同步辐射实验室做起来后，等到我们准备升级，甚至建上海第三代光源时，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，但是还在有些最尖端领域上略逊于世界最高水平。
这是Patrick向我展示他最爱的一个中国产工具：手电筒，同组法国科学家打趣道：嗯，那也是个光源。
第三代光源九十年代就进行了大量的准备，但是在是2004年才通过审批开始动工的，其实就是国家要做统筹。从能量分布上，合肥0.8Gev，中低能端，北京2.2Gev，中能端，上海3.5Gev，中高能端。
这个能量和全光谱的分布有关。每个光源的全光谱的能量分布并不均衡，呈现一个抛物线，中间高两边低，对于合肥光源来说这个峰在紫外波段，北京在软X射线波段，而上海在硬X射线波段。确实可以称之为合理布局，在有限财力下的最优配置。
不要小看这个，合肥国家同步辐射实验室的能量最低，但每年光水电费就仍需九百万元。随着能量的提高，这个耗费将更为巨大（辐射功率是能量的四次方）。而同时，所有申请到所有同步辐射装置进行各种科学实验是完全免费的，我就不重复三遍了，但确实很重要。这种大科学装置一旦开机，是在相当长一段时间内不停工作的。如笔者这样的线站工作人员都是轮班地和用户们一起日以继夜工作的，倘若线站闲置，我们感受到的是一种国有资产流失的痛。所以，一旦用户提前完成实验，或者因故推迟到来时，线站工作人员就要赶紧就近让需要进行的实验用户，比如本校或者本实验用户赶紧填补进来，而不使大科学装置闲置。
申请课题的方式一般是提前一年（一个用光周期）预定，比如申请我们国家同步辐射实验室NSRL， 就直接搜NSRL就可以，网页上有申请的链接，我们会有专门的专家组来审批，通过即将实验时间通知给用户，用户到时间就可以赶过来进行实验，申请北京BSRF，上海SSRF，都是免费的。甚至国外的同步辐射装置也一样，各国有条件的也都会建同步辐射装置，也基本都可以免费申请并使用的。
略有例外的，需要花钱的，比如日本乃至世界能量最高的同步辐射装置SPRing8（8Gev），使用起来需要交纳每小时六万日元的使用费用。另一种例外的，有些光源一般是申请不到用光时间的，比如日本一些大公司自建的光源，比如，卢浮宫自己的研究机构（卢浮宫地下）的同步辐射装置。
(上)SPRing8（储存环1.5公里）和（下）卢浮宫地下研究机构的光源（没有储存环）
这种实验平台的建立和维持除了一个大科学装置和一个高素质科学和工程团队，还需要国家每年的投入的各种积累。不仅我们同步辐射装置，很多大科学装置和大科学平台都是如此，国家的目的也很明确，希望构建一个个更高水平的实验平台，提供给全国的科研工作者使用，提高我国的整体科研水平。近期各项科研成果的井喷，就是这种积累显现的效果。
至少到现在为止，同步辐射仍是对微观世界研究的最有效且系统的工具，没有之一。国家也非常重视，实验室建立以来，历任党和国家领导人江泽民同志，胡锦涛同志，习近平同志都视察过国家同步辐射实验室，就体现了这种重视。
絮絮叨叨这么久，可能很多人仍然在关心，同步辐射到底能做什么。与其说包含大量专业词汇的科学成果，我还是先举些大家都能看懂的例子，列举一些大家可能感兴趣的同步辐射的应用。
首先我们一起来看看我们从哪里来？
下图中是西伯利亚发现的5亿年前寒武纪古蠕虫化石晶胚，利用同步辐射X射线断层显微（SRXTM）技术，研究古蠕虫晶胚的演化，揭示生命的早期发展。这个工作发表于2006年的《自然》。（SLS,Swiss,2006）Nature 442, 680-683 (2006)
5亿年前寒武纪古蠕虫化石晶胚
利用X射线荧光（XRF）成像技术研究阿基米德重写本，发现在一页纸上同时既有阿基米德文字，又有经文，还有伪造的画。(SLAC, USA，2006)
阿基米德（公元前287年-公元前212年）的羊皮卷
利用X射线荧光成像技术，仅用两天时间测量Hg, Sb, Pb等元素在梵高油画中的分布，从而重构出底层画像。AnalyticalChemistry 80(16): 6436(2008)。才发现原画是如草坪这样的映像派画作，但是实际上里面有一张人脸的画，只是被油彩再次覆盖。
梵高的画
古代石碑上的文字已模糊不好辨认，但是在同步辐射光照射下，却清晰显现了。
古代石碑
上述工作利用同步辐射来研究有一个很大的优势就是无损，对于很多珍贵稀缺的实验样品来说，我们根本不需要破坏它们的结构，直接用光扫描就可以“看到”内部结构或元素分布。
说完了别人的工作，再来看看我们自己的工作。我们实验室曾承担一个973国家重点基础研究发展计划，其内容简单来介绍就是“快速CT成像”。现在在医院拍一个CT常需要十几到几十分钟拍摄，再等几十分钟出片，而利用同步辐射只需要几秒延迟，便可以瞬时成像（注：实验对象为大鼠前爪），骨骼，血管，肌腱都清晰可见（专业词汇：高衬度），一旦成功乃至推广开来，可以手术的过程中同时看到患者整个身体骨骼肌肉的各种情况，确保手术全程全视野无死角。这个工作在国际上被誉为“近二十年来X射线成像的重大突破”。
上海复旦大学张新夷教授研究组利用同步辐射技术研究了穴位和经络（注：实验对象为兔子）。结果表明，经络相当于铁路，穴位相当于车站。有些穴位相当于物资存放站，富含钙铁锌硒等各种元素，但是针灸这里不会引起这些元素的浓度变化，而有些穴位则相当于调度站，针灸这里时，同一条经脉的物资存放的穴位的钙铁锌硒离子将快速沿经络重新分布（Physics in Medicine and Biology， 2009）。进一步的研究表明，一些穴位中的铁是以五配位的形式存在，而在正常条件下，五配位的铁是不稳定的，很容易被氧化为六配位的铁。而按摩这些穴位时，这些五配位的铁确实会转变为六配位的铁。这解释了为何我们按摩穴位时会产生酸麻痛的感觉，实际上，在我们的穴位里正发生着电化学的反应，感觉的差异，除了自身的感受性强弱，还有电化学反应的强弱。
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另外2005年完成的人类基因组计划的的结构解析绝大部分工作都是在同步辐射装置上完成的。曾有人预估如果都用常规光源，全人类得用几百年才能解完。我们实验室的XRD线站也参与其中，承担了一部分工作。
所以说了这么多，终于又回到最初那个新闻上。大家更关心的也就是为什么要建的问题，建了有什么意义的问题。前文说过，第四代光将继续在实现亮度提高上做文章，北京和合肥的第四代光源都是用衍射极限环技术，特点是高相干性，高亮度，比现在亮度提高一百倍，理论上，测得同样的信号，测试时间可以缩短为原来的一百分之一。这是目前得到最广泛认可的提高性能的最优解。在这种技术支持下，我们将清晰地进行纳米级别的结构研究，我们将很有可能直接观测到电荷的运动。或许，超导以及超流动性的秘密即将被解开。（题外话，笔者拿到的第一个青年基金的任务就是在同步辐射装置上完成一个低温实验平台搭建及相应的测试手段的建立。笔者曾踌躇满志想要研究超导和非超导下的电子结构，设计并做了自以为非常详尽的实验，然后就没有然后了，做出了一堆其他不知是否有用的结果，在超导上毫无发现，所以对于新光源带来的进步，笔者其实有不少期待）
简而言之，同步辐射就是一种光，光能用来干什么，同步辐射就能做什么。在探索微观世界时，我们做得快，做得好。国家出钱，我们出人出力，免费提供给大家的高质量的实验研究平台。未来新的合肥光源以及其他中国新的光源的建立也都是为了我们国家整体研究能力的提高铺的下一层基石。
想想似乎这样讲意义更好：想要避免1840到1949间一百多年中华民族蒙受那种种苦难，在现有的知识框架下是完全不可能，但要避免它们再次发生，似乎我们现在就可以参与其中，人无远虑，必有近忧，一万年太久，只争朝夕。
背景简介：2017年11月，合肥国家科学中心筹建国际最先进低能区同步辐射光源的消息引起关注。经科技与战略风云学会会长袁岚峰博士介绍，观察者网邀请国家同步辐射实验室线站工作人员谢治博士撰文，发表于12月13日（http://www.guancha.cn/XieZhi/2017_12_13_438912.shtml），此处为最新修订版。风云之声获授权转载。责任编辑：郭尖尖
同步辐射篇(三):请扭摆
■小溪/文
■L老师/审校
想象得出么，接近光速的电子束在蛇形轨道上扭摆起来之后会发生什么？现在来回答这个问题难度不算大，可在70年前这还是个高深的问题。
基于带电粒子在电磁场作用下，沿弯转轨道行进时会沿轨道切线方向发出电磁辐射的原理，让电子束经过周期性排列的磁场不断偏转方向，近似作正弦曲线的蛇行——“扭摆”起来。经过精心设计的周期性磁场，可使电子束在扭摆中沿切线方向不断发出的电磁辐射(被称为“同步辐射”)获得更优异的性能。
意外的发现
20世纪初，根据电磁场理论，理论研究学者预言：真空中接近光速的相对论电子束在弯转磁场作用下作曲线运动时，会沿着弯转轨道切线方向发射连续谱的电磁辐射。20世纪20年代，有人首次提出了建造圆形运行轨道电子感应加速器的构想。1940年，第一台电子感应加速器由克斯特(Donald William Kerst)在美国伊利诺斯州大学建成，相关学者们对理论上预言的在切线方向发射电磁辐射而造成的加速器能量受损很感兴趣，发表了大量研究论文，不过那时谁也没真正见到过这种电磁辐射。
克斯特与第一台电子感应加速器(图片来自网络)
1946年，英国建成了世界上第一台电子同步加速器，紧接着，美国通用电气公司在纽约的斯克内克塔迪实验室也建成了一台电子同步加速器，为便于观察真空室里电极的位置，他们设计了透明的真空室，没想到这竟促成了意外的发现。1947年4月的一天，加速器在调试时电子枪有打火的现象，不知究竟发生了什么事，厚厚的水泥屏蔽墙外什么也看不到。一名技术人员在屏蔽墙外通过一面镜子的反射进行观察，他看到了加速器的透明真空室中有小而亮的“弧光”。此时，真空室的真空度很好，“弧光”不可能由气体放电引起，关掉了电子枪后“弧光”依然存在。很快便弄清楚了，这“弧光”正是此前理论预言的那种电磁辐射，因首先在同步加速器上被发现，称为“同步加速器辐射”，简称为“同步辐射”。
同步辐射示意图(图片来自网络)
首次观测到同步辐射光(图片来自网络)
同步辐射光源
加速器专家们为同步辐射造成的电子束流能量损失而苦恼，但有人却悉心研究着同步辐射独特的用处，很快便认识到同步辐射光是一种优良的光源。为用户提供同步辐射光开展研究的科学装置被称为“同步辐射装置”或“同步辐射光源”。
同步辐射光源具有常规光源不可比拟的优异性能，它的应用研究不仅涉及物理学、化学、生物学等基础学科，而且还广泛应用在材料科学，表面科学，计量科学、医学、显微技术、超大规模集成电路的光刻等技术领域的研究中。
近半个多世纪以来，同步辐射光源的发展已经历了数代：
■“第一代”
1973年，美国斯坦福直线加速器中心(SLAC)的高能物理加速器SPEAR储存环开始开展同步辐射的应用研究。之后，国际上有多台高能物理加速器作为兼用同步辐射光源向开展研究的用户开放——被称为“第一代”。
北京正负电子对撞机上的北京同步辐射装置BSRF(Beijing Synchrotron Radiation Facility)1992年开始运行，属第一代。
■“第二代”
1981年前后，基于低发射度储存环技术的优势，一批发射度较前大大降低、亮度大大提高的专用同步辐射光源陆续建成——被称为“第二代”。第二代同步辐射光源不受需要首先满足高能物理实验要求的技术限制，因此可针对开展同步辐射应用研究的用户要求，在束流的能量、流强、发射度等方面进行优化，光源的性能得到了大幅度提高，光源亮度达1015-1016。
第一代、第二代同步辐射光源主要利用电子束经过加速器弯转磁铁发出的同步辐射光。至20世纪70年代末，开始在加速器弯转磁铁之间的直线段插入一种产生周期性磁场的部件——称为“插入件”(InserctionDevices)，以得到性能更好的同步辐射光，第二代同步辐射光源开始使用少量的插入件。
中国科学技术大学国家同步辐射实验室的合肥光源HLS(Hefei Light Source)1992年开始运行，属第二代。
■“第三代”
20世纪90年代中期，一批以低发射度和采用大量插入件为特征的高亮度同步辐射光源建成——被称为“第三代”，光源亮度可达1018-1019(比二代光源高2个数量级)。例如：欧洲的ESRF(EuropeanSynchrotron Radiation Facility)、美国的APS(Advanced Photon Source)、日本的SPring-8(SuperPhoton ring-8)等。
2009年开始运行的上海光源SSRF(ShanghaiSynchrotron Radiation Facility)、1994年建成的台湾光源TLS(Taiwan Light Source)以及2015年投入运行的台湾光子源TPS(TaiwanPhoton Source)属第三代。
■“第四代”
由于科学技术发展的新需求，将最新的插入件技术与加速器技术结合起来可使光源性能获得飞跃性的提高，光源的平均亮度应达到1020-1022(比三代光源高2-3个数量级以上)。例如：基于直线加速器的自由电子激光FEL(Free Electron Laser)、能量回收直线加速器光源ERL(EnergyRecovery Linac)、衍射极限储存环USR(Ultimate Storage Ring)等。
让电子束扭摆
由上可见，同步辐射光源的性能与“插入件”有着密切的关系。
究竟什么是“插入件”呢？
插入件是一种特殊的组合磁铁，根据不同的需要，将方向相反的“磁极对”按照所设计的顺序排列(一般为周期性结构)，沿束流运动方向产生周期性变化的磁场。当电子束经过这样的周期性磁场区时，会被往复地、周期性地偏转方向，近似作正弦曲线的蛇行“扭摆”运动，电子束在扭摆偏转中发出同步辐射光。
插入件结构示意图(图片来自网络)
■ 扭摆器、波荡器
插入件的基本性能取决于以下物理参数：周期长度、磁间隙、峰值场强及偏转参数k(表达电子束在不同偏转位置发出的辐射光相互重合程度)。插入件主要分扭摆磁铁和波荡器，偏转参数K >> 1时，称为扭摆器(wiggler)，K值较小时称为波荡器(undulator)。
扭摆器与波荡器的对比示意图(图片来自网络)
扭摆器的磁场强度较大，周期较长，周期数较少。电子束进人扭摆器后，在不同极取向磁铁的强磁场作用下，作较大幅度、近似正弦曲线的扭摆运动，小半径处所辐射的光子能量范围向高能量移动，从而达到增加高能量光子数的目的。扭摆器能局部提供更强的磁场，使同步辐射波长向短的方向移动，辐射功率也得到增强。扭摆器产生的同步辐射光的亮度、强度等性能远优于由弯转磁铁所发出的同步辐射光，因此大大扩宽了其应用范围。
扭摆器结构示意图(图片来自网络)
用扭摆磁铁产生同步辐射的设想，是美国哈佛大学剑桥电子加速器CEA (Cambridge Electron Accelerator)的鲁滨逊(K. W. Robinson)1956年提出的。1966年，CEA建成了第一个扭摆器，但并没用在同步辐射光源上。
1979年，第一个真正用于同步辐射光源的扭摆器(7个周期、长1.2米)安装在美国斯坦福同步辐射光源SSRL(Stanford Synchrotron Radiation Lightsource)上，提供了有史以来最强的X射线束。1980年，斯坦福正负电子非对称环SPEAR(StanfordPositron Electron Asymmetric Ring)上安装了一个长2米的扭摆器。
1980年安装在SPEAR上的扭摆器的下半部分(图片来自J. Faust)
由于扭摆器的辐射总功率较大，接收端光学元件的发热问题比较严重，早期在能量较低的同步辐射装置上使用较多，而在能量较高的同步辐射装置上，更多使用的是波荡器。
波荡器的结构与扭摆器类似，但波荡器不注重用以提高出射光子的特征能量，而主要用来提高辐射光子的数量。波荡器的磁铁磁场强度较低，周期较短，磁周期数很多(往往由几十个甚至上百个磁铁对组成)，电子束进人波荡器后，往复偏转幅度较小，每个周期中发出的同步辐射发生干涉(两列或几列光波在空间相遇时相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域始终削弱，形成稳定的强弱分布)，且主要集中在很小的锥角内。正由于干涉效应，不同磁周期上产生的同步辐射光部分相干地叠加在一起，使同步辐射光的亮度得到成百上千倍的增加。
波荡器结构示意图(图片来自网络)
1947年，俄罗斯的金兹堡(Vitaly Ginzburg)发表论文，从理论上证明了建造波荡器的可能。1949年，施温格(Julian Schwinger)发表论文，阐述了如何解决波荡器设计中参数计算的难点。1952年，美国斯坦福大学的莫兹(Hans Motz)等人制成了首台验证用波荡器，高速电子束通过波荡器时形成周期性摆动，在条件合适时就会产生相干的电磁辐射。第一个真正用于同步辐射光源的波荡器有30个周期，1981年安装在美国斯坦福同步辐射光源SSRL上。
世界第一台实际应用的波荡器(图片来源：SLAC)
■ 电磁型、永磁型
插入件按使用材料可分为电磁型、永磁型(包括纯永磁型、混合型)。
电磁型用电磁铁产生横向磁场，通过改变线圈电流调节磁场强弱，调节方便，不需机械驱动，较容易获得较强磁场，但它的稳定运行需要大功率的高稳定电源，且电磁铁体积大，无法在短周期(小于10厘米)条件下使用。
纯永磁型用稀土永磁材料磁化而成的上下两排永磁块排列而成。一般每个周期有四块磁块，且磁块的磁化方向依次旋转90度(称为Halbach结构)。沿着束流方向形成磁极间隙空间内垂直分量磁场的周期性变化，构成插入件磁场。其优点是用较短的周期即可得到磁场强度较高的波荡器磁场，同时无需励磁线圈、配套电源等设备。但因每个永磁块的尺寸、磁化强度和方向均存在一定偏差，永磁块的测量、选配和组合优化的工作量非常大。
纯永磁型插入件结构示意图(图片来自网络)
混合型用高导磁性材料作为磁极来导引相邻磁极间永磁块的磁流，形成周期性磁场分布。混合型的优点是在磁块间隙与周期之比小于0.4时，可获得比纯永磁结构更高的峰值磁场，高导磁性的磁极形状和位置主导了磁场的分布，可以调节永磁块磁性分布误差，从而降低了对永磁块尺寸、磁化强度和方向的要求，大大减少了永磁块测量、选配和组合优化的工作量。但混合型的磁场谐波分量较大，设计磁场的计算相对复杂。
混合型插入件结构示意图(图片来自网络)
■ 平面型与螺旋型
第三代同步辐射光源基本上已淘汰了扭摆器，而波荡器的新品种层出不穷。因波荡器磁单元的几何结构决定了所辐射光的偏振状态，波荡器的设计就涉及到“光的偏振”。
因光波是电磁波，一般用电场和磁场沿空间的交叉传播来描述光波——在空间某点，电场强度(电矢量E)以及磁场强度(磁矢量H)随时间变化。光波的电矢量E(也称光矢量)和磁矢量H都与传播方向垂直，光波属于横波，而横波则具有偏振性。
若光矢量的振动方向限于一确定的平面内——光矢量的末端轨迹为直线，称为平面偏振光或线偏振光；若光矢量随时间作有规则地改变——光矢量的末端轨迹在垂直于传播方向的平面上呈圆形或椭圆形，则称为圆偏振光或椭圆偏振光。偏振光也称为“极化光”。
光波传播示意图(图片来自网络)
同步辐射光源中使用的波荡器大多数是平面型波荡器，周期磁铁的磁极平面为平行排列，高速电子沿x坐标方向来回偏摆产生线偏振辐射光，但辐射光的偏振状态不可改变。
随着科学的发展，对物质结构、磁性、电性、自旋和手型等各种不均匀性的研究特别需要偏振状态可以调节的光源，需要能提供不同辐射光偏振状态的波荡器。
螺旋型波荡器是周期磁铁的磁极排列在不同的极化模式下，通过调节不同磁极序列的相对位置，可同时产生水平和垂直两个方向的磁场，形成螺旋型的磁场分布，使高速电子在空间沿光传播的z坐标方向螺旋形前进，产生圆偏振或椭圆偏振辐射光。例如，椭圆极化(偏振)波荡器可提供多种偏振模式的辐射光。
几种类型的永磁平面螺旋型椭圆极化波荡器磁结构示意图(图片来自网络)
■ 准周期、超短周期等
随着技术的发展，插入件的结构也出现更多样化的趋势，例如：结构更加复杂的APPLE-KNOT、准周期、超短周期波荡器等。
新型的准周期波荡器，通过两相邻磁极间距离的准周期化来抑制传统波荡器(磁场周期性排列)产生的高次谐波(导致信噪比下降及单色性降低)，在很多光源上得到应用。
欧洲光源ESRF的准周期波荡器结构示意图(图片来自网络)
意大利光源ELETTRA的椭圆极化准周期波荡器结构示意图(图片来自网络)
超短周期的微型波荡器属于第四代光源所需的重大关键部件，相关的探索正在进行：日本KEK用一种全新的磁化方法研制周期长仅为4毫米，总长100毫米的微型波荡器。上海光机所利用超强超短激光与金属丝的相互作用研制一种微型瞬态电子波荡器。
日本KEK研制中的超短周期微型波荡器(图片来自网络)
微型瞬态电子波荡器示意图(图片来自网络)
■ 插入件之后
“插入件”在加速器储存环的直线段插入，储存环上的多个直线段可以安装多个插入件。插入件的后端可引出单条或多条不同类型的光束线，并建立相应的实验站提供给不同需要的应用研究单位使用。
“插入件”在加速器储存环上的直线段插入(图片来源：SPring-8)
从插入件引出光束线及实验站示意图(图片来源：Diamond)
成员众多的大家族
插入件从20世纪70年代起开始应用于同步辐射光源，随着相关技术的成熟，一些插入件已成为同步辐射光源的标准配件。同时，插入件技术与超导、低温等先进技术相结合，在缩短磁周期长度、提高磁场强度等方面不断发展，技术日趋完善。以下展示的是部分类型的插入件。
■ 真空外
真空外插入件无论是扭摆器还是波荡器，本身不涉及真空技术，但因电子束需在真空管道中运行，真空管道的占位使插入件的磁间隙调节受到一些限制，对插入件的工作磁场强度和同步辐射光性能有一定的影响。
北京同步辐射装置BSRF的永磁扭摆器1W1(7周期)，为漫散射实验站、X射线吸收精细结构实验站提供实验光束(图片来自网络)
北京同步辐射装置BSRF的多极永磁扭摆器1W2(30磁极头，7周期，周期长22厘米，间隙为3.5厘米时场强1.6T)，为小角散射实验站、生物大分子实验站提供实验光束(图片来自网络)
合肥光源HLS的永磁波荡器UD-1(总长2.7米，29个周期，磁间隙可在36~96毫米间变动)，为原子分子物理实验站提供实验光束(图片来自网络)
高能物理研究所为欧洲X射线自由电子激光装置EXFEL研制的高性能超长波荡器样机U48(长5米)(图片来自网络)
大连极紫外相干光源DCLS(世界唯一)的波荡器阵列(总长18米，波长在50纳米到150纳米间连续可调)，可产生世界上最亮的脉冲和波长可调的极紫外光源，在化学、物理、生物、能源、材料、环境等重要科学领域有着极为广泛的应用(图片来自网络)
美国直线加速器相干光源LCLS-II的永磁波荡器(图片来自网络)
■ 真空内
真空内插入件是将磁极置于真空室内。这样，当加速器束流注入时可将磁间隙拉开(减少对注入的影响)，而正常运行时可将磁间隙调节至很小，对提高插入件的工作磁场强度和同步辐射光的性能十分有利。
真空内波荡器细节(图片来源：DESY)
真空内扭摆器的磁场强度高，磁周期长，使用的永磁材料体积大，造成真空室的体积和容量增大，技术难度相当大。国际上应用较多的是真空内波荡器，一般磁间隙小于10毫米，周期长为20-30毫米，磁场峰值强度小于1 T。
北京同步辐射装置BSRF的真空内永磁扭摆器4W2(11周期，周期长148毫米，磁间隙可调范围12-120毫米)，为高压实验站提供实验光束(图片来自网络)
上海光源SSRF的真空内混合型永磁波荡器(80周期，周期长25毫米，最小磁间隙7毫米，最大峰值磁场强度0.95 T) (图片来自网络)
欧洲同步辐射光源ESRF的真空内波荡器(图片来自网络)
瑞士同步辐射光源SLS的真空内混合型波荡器(图片来自网络)
日本同步辐射光源SPring-8的真空内混合型波荡器(图片来自网络)
插入件常用的永磁磁块材料有钕铁硼(NdFeB)及钐钴(SmCo)，钕铁硼材料具有较高剩磁，而钐钴材料的抗辐射能力较强。对于较小磁间隙的波荡器来说，抗辐射能力弱的永磁块在辐射环境下会产生严重的退磁而大大降低波荡器的使用寿命，因此这类插入件的磁块一般采用钐钴材料。
如果将钕铁硼磁块置于低温条件下，其抗辐射能力大大增强，低温波荡器已在一些光源上取得较好效果，发展前景很好。未来，低温波荡器有取代真空内波荡器的趋势。
英国同步辐射光源DIAMOND的低温混合型波荡器(图片来自网络)
上海光源SSRF的中国首台低温永磁波荡器CPMU(右)(左为17U常温真空内波荡器) (图片来自网络)
■ 超导型
超导技术与插入件技术的结合产生了超导插入件。
超导扭摆器的峰值磁场强度大大提高，且大大增强了垂直方向的聚焦力，工作点的允许偏移量可达普通扭摆器的十倍左右。20世纪70年代末，首台超导扭摆器安装于前苏联BINP的VEPP-3储存环上。之后，超导扭摆器在多个同步辐射光源中有应用。
合肥光源HLS的单周期超导扭摆器，为生物大分子结构研究提供光束(图片来自网络)
西班牙同步辐射光源ALBA的超导扭摆器(图片来自网络)
从发展趋势看，超导波荡器已成为第三代同步辐射光源的关键性设备，其集超低温技术、超高真空技术、精密机械传动和控制技术等多项高端技术于一体，是提高同步辐射光源性能的重要手段。
超导波荡器的相关技术基本由发达国家垄断，国际上仅在德国的ANKA、瑞典隆德大学同步光源研究国家实验室MAX-LAB、美国斯坦福大学的FIR-FEL等极少数光源上有应用。2016年，中船重工属下的鹏力科技集团为上海光源研制成功国内第一个超导波荡器，标志着我国在这一领域的技术水平已开始跻身世界一流。
美国APS光源的超导波荡器SCU的试验样机(周期长16毫米，总长0.34米，以后达1.14米、2.3米)(图片来自网络)
德国ANKA光源的超导波荡器SCU15(100周期，周期长15毫米，总长1.5米)(图片来自网络)
英国同步辐射光源DIAMOND的超导波荡器(图片来自网络)
上海光源SSRF研制中的超导波荡器(图片来自网络)
■ 偏振可调等
平面波荡器只产生线偏振光，且偏振状态不可改变，螺旋波荡器可产生光源用户所需的圆偏振或椭圆偏振光，偏振状态的调节依靠机械机构的传动，只是速度较慢，调节后的辐射波长也会发生改变。
瑞士光源SLS的椭圆极化双波荡器(图片来自网络)
上海光源SSRF的双椭圆极化波荡器DEPU，总长约5米(由两台周期长分别为58毫米和148毫米的APPLE-II型可变椭圆极化波荡器组成)(图片来自网络)
2000年，美国阿贡国家实验室ANL的吉米(K. J. Kim)提出了一种交叉型平面波荡器的概念，两个交叉放置的平面波荡器分别产生的水平与垂直光场相干叠加，可通过调节交叉平面波荡器中间的移相器来实现辐射光场偏振状态的快速改变。
2014年3月，上海深紫外自由电子激光实验装置(SDUV-FEL)上在国际上首次成功地将交叉平面波荡器、高精度电磁移相器和分振幅偏振测量仪等设备集于一体，实现了自由电子激光脉冲偏振态的任意调控。
上海深紫外自由电子激光实验装置SDUV-FEL的交叉型平面波荡器(图片来自网络)
上海光源SSRF的椭圆极化波荡器(APPLE-KNOT型)(图片来自网络)
高能所为合肥光源做的准周期波荡器(应用于燃烧实验站)为国际同类实验中亮度最高的实验站(图片来自网络)
前景展望
半个多世纪的实践证明，同步辐射光源已成为众多学科前沿领域必不可少的研究手段，它对科学技术发展影响的广度和深度是其它大科学装置所无法比拟的。
“十三五”期间，中国将建设一台储存环电子能量为5 GeV，亮度、发射度超越世界目前同步辐射光源先进水平的第三代光源——高能光子源HEPS(High Energy Photon Source)。HEPS具备建设90条以上高性能光束线站的容量。同时，HEPS的发射度还能进一步降低以获得更高的亮度，达到衍射极限光源的水平，这将保证在未来很长时间内HEPS都能位居世界上亮度最高的光源之列。
除此之外，上海光源SSRF(具备建设60条以上光束线站的容量)、X射线自由电子激光试验装置SXFEL等新的先进光源也都需大量技术含量高的新型插入件。有理由相信，中国的插入件技术将突飞猛进在国际上占有重要的地位。
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