（上回书说到，应用X射线的科学家与高能物理学家为了抢夺第一代同步辐射的使用时间，那掐得是pia pia的……于是，终于催生出专门用于产生X射线的第二代同步辐射。可没想到，“人心不足蛇吞象”，贪心的科学家们对于X射线的强度又不满足了……）

波动的共鸣

　　一种新技术的出现让物理学家们看到了进一步提高X射线光强的希望，这就是波荡器。

　　我们都在电视上见过高山滑雪者在雪坡上留下的波状轨迹，又称为S形转弯。滑雪者通过转弯动作推雪获得阻力，减缓下滑的速度。被推开的雪沿着雪坡向下滚落，与滑雪者的前进方向一致。

　　而在波荡器中，正发生着类似的事情。波荡器由一组正反交替的磁极组成，它们能使电子团通过时交替左转右转，往复数十次，形成波状前进轨迹。在每一个转弯处，都会有前向的同步辐射X射线产生。这些前向X射线叠加在一起，大大加强了X射线的强度。同时，这些X射线之间发生了干涉等光学现象。通过适当调整，可以进一步提高X射线的光强。

　　应用了波荡器的同步辐射即为第三代同步辐射光源。目前世界上主要的同步辐射光源都属于这一类。从亮度上讲，最强的同步辐射光源是位于日本兵库县的SPring8，紧随其后的是位于美国阿贡国家实验室的高级光子源（Advanced Photon Source，APS），再其次是位于法国小城Grenoble的欧洲同步辐射设施（European Synchrotron Radiation Facility，ESRF）。我国于去年（2008）建成的上海光源是世界上第13台第三代同步辐射X射线光源。

　　为了获得更强的X射线，储能环中电子的能量级别不断攀升，环形轨道也越来越大。北京正负电子对撞机的轨道直径约76米，略大于一个足球场的宽度；而日本SPring8的直径则是457米，比四个足球场的长度还要长一些。此外，外围沿切线展开的工作线站、配套实验室、机房等辅助设施都要占用很大的空间。这使得第三代同步辐射成为十分巨大的环形建筑。为了方便工作人员，第三代同步辐射的建筑内往往设有公用自行车作为代步工具，其巨大程度由此可见一斑。在1:200000的卫星照片上我们可能很难发现中国国家大剧院那硕大无朋的银亮蛋壳，却可以轻易地找到一个第三代同步辐射的完美圆环。

位于张江的上海光源是我国目前最强大的X射线源

　　今年（2009），在美国的斯坦福大学，世界上的第一台第四代X射线光源——直线加速相干光源（LCLS），即将投入试运行，它所产生的X射线被称为自由电子激光。与前三代明显的不同的是，它不再采用源自电子同步加速器的环形轨道，而是采用了长达三公里的直线结构，整体上是一个直线加速器连接一个密集的超长波荡器。通过调整电子的速度以及交替磁场的间距等参数，电子团每一次转向所发出的X射线将具有相同的相位，从而产生共振，也就形成了一束X射线的激光。

　　自由电子激光将成为人类有史以来创造的最神奇的X射线，不但强度超乎想像，而且具有优良的光学特性。如果斯坦福的这台第四代X射线光源能够顺利投入使用，那么它将为结构生物学等应用X射线的研究领域带来颠覆性的革命。

　　然而，自由电子激光终究仍只是纸上谈兵。能否最终实现，全世界的相关领域研究人员都在盯着斯坦福大学的直线加速相干光源。即使真的能实现，如何对自由电子激光所产生的实验数据进行处理分析？如何避免强X射线带来的新困扰？解决这些问题都还有很长的路要走。那么在这些技术成熟之前，如何满足科学研究对X射线日益扩大的需求缺口呢？

　　就在我经常拜访的布鲁克海文国家实验室园区里，在离NSLS不太远的地方有几间不怎么起眼的白色平房，门口写着“NSLS-II办公室”。这里正在筹建新的美国国家同步辐射光源。从技术本质上讲，它仍是第三代同步辐射，只不过其波荡器采用了全新的设计和加工工艺，从而可以达到更强的X射线叠加效果。于是，在电子团的能量级别方面可以有所减小，轨道也可以相应减小。因此称之为中能第三代同步辐射光源，为与之区别，ESRF，APS，SPring8等也称为高能第三代同步辐射。我国的上海光源也属中能第三代同步辐射光源，目前英国和法国等其它国家也在筹建中的同步辐射亦属此类。全世界在建中的第三代同步辐射总计约有12台。

　　我国著名高能物理学家，也是我国同步辐射光源项目的推动者，中科院院士冼鼎昌研究员曾经在一次学术报告中开玩笑地说：“新世纪到世界各地旅游去看什么？不是看名胜古迹，而是看同步辐射！”有人甚至做过预计，明年（2010），每天同一时刻在全球的同步辐射中应用X射线进行研究工作的科学家与工程师将超过一万人。他们在同步辐射的具体工作情况是怎样的呢？

永远的追寻

　　在本文开始所介绍的同步辐射之旅虽然称不上惬意，但也还算有趣。可是，这只是准备阶段，真正的工作还没有开始。

　　由于同步辐射不同于其它实验设施，具有长期不间断运行的特点（注入的时间很短，相对可以忽略），所以一般研究者会申请连续24小时，或者48小时，甚至72小时的工作时间，这样也可以减少交通、住宿等方面的开支。

　　所有去过同步辐射工作的人，大概没有谁会很享受这个过程。即使有两到三人共同工作，也很难保证有足够的休息时间。为了尽可能充分利用时间，大家往往都在线站上解决吃饭问题。这也就是为什么我要提前买好三份外卖的原因。

　　此外，由于同步辐射产生的X射线很强，足以危害人体健康，所以线站的终端设备放在一间隔离舱内，并对进出该舱有着严格而繁冗的安全操作规定。不恰当的操作不但会影响自己的实验，甚至会导致整个同步辐射“跳闸”停止运行，以保护实验操作者的生命安全。此外，雷雨等自然因素也有可能导致同步辐射自动“跳闸”。这些都给每次同步辐射之旅带来了很多的不确定因素。我在国内时，曾两次远赴法国的欧洲同步辐射设施工作，却都因为设备故障无功而返，白白在食宿行等方面浪费了研究经费。

　　即便如此，国内的结构生物学研究者以前也没有别的选择。如果想要使用同步辐射的可调波长强X射线，就必须到国外去。美国、英国、法国、韩国、日本的同步辐射都留下了中国结构生物学研究者的足迹。虽然前两次去法国都以失败告终，但为了课题研究，我还是第三次前往法国的欧洲同步辐射设施，才终于拿到了可以使用的实验数据。

青山碧水之间的欧洲同步辐射设施属于第三代同步辐射

　　虽说法国是个浪漫的国度，但这样的同步辐射之旅却没有普通人想像中的惬意。为了减少不必要的开销，在当地停留的时间不会比在同步辐射申请的工作时间长太多。从北京出发，经过十多个小时的飞行之后，在巴黎转一次机，再在里昂换乘长途巴士，一般会在午夜之后到达欧洲同步辐射设施；保存好样品，睡不了几个小时就到了早晨，便要开始连续一两天的奋战了，中间只能断断续续地睡上几个小时；实验结束后，拷贝数据，稍事休息又要飞回国了。通常来说，在当地旅游的时间肯定是没有了，甚至连调时差的必要都没有了。我常对那些羡慕我能出国做实验的同学说：这样去一次法国和去一次上海没什么区别，甚至还要更累。

　　而现在，上海光源的建成投入使用，真的把“去法国”变成了“去上海”。同步辐射之旅至少不必再受时差和长途飞行的折磨，这必将大大方便国内应用X射线的各领域研究人员。这个位于浦东张江高科技园区的同步辐射对于上海市区的研究者来说，比从纽约市区到布鲁克海文国家实验室的距离还要近，必将极大地带动上海地区的结构生物学等X射线应用相关专业的发展。

　　我想，有机会回国去上海的话，我一定会实践冼鼎昌先生的预言：去看看那里的同步辐射。因为，作为一个结构生物学研究者，我注定会永远追寻那隐形的光线。同样的，人类对于更强大的人造X射线源的追寻也永远不会停止。

（完）

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