互动科普

比太阳亮十亿倍的辐射正在揭示众多的科学与技术现象的奥秘。

建造极亮的x射线源是过去几十年中科学技术取得的重大(但却很少被提及)的成就之一。安装在直径几百米的真空圆形管道中的这些设施使电子以接近光速的速度运动，发射出明亮的辐射脉冲，利用这些脉冲实验工作者得以在原子太小的尺度上考察物质。借助于这种极不寻常的光，科学家们获得了对于种种物质和现象——包括分子高级半导体材料和磁性材料的结构以及复杂化学反应齄细节的深入认识。

这些科学成就是通过同样了不起的工程设计方面的进展而取得的。如果以这些x射线源的亮度作为衡量标准，那么自六十年代初期以来它们改进的速度几乎没有什么技术领域可与之匹敌。比如，现在人们常常拿性能最佳的计算机的计算速度的增加作为信息时代进展速度之快的例子。然而在同一时期中x射线源亮度的增加还要快得多。最新的x射线源——几个有代表性的装置过去5年中已在若干国家投人运行——比上一代X射线源几乎亮1百倍。事实上，这些新的X射线源产生的辐射比太阳的辐射强10亿倍[见图6]。有8个这类设施现在正在运行，另外还有两个将于不久的将来投人运行[见后面的表]。此外，还有40个上一代X射线源在世界各地运行。

尽管这些X射线源的造价高达每台1亿至10亿美元，但是，由于凭借这些装置研究人员可望对从半导体到蛋白质等各类材料中的晶体和分子的结构、组成及化学键等进行最详尽的考察，建造新X射线源的热潮有增无减。

简单地说就是，这些装置的惊人亮度意味着它的X射线来自一个横截面积极小的源，而且这些X射线的辐射锥是非常窄的。发射出这些X射线的电子聚集成其直径相当于一根人发的直径的束流。它们射出的X射线的横截面和散开角都是很小的，这就使辐射能够始终保持密集。为了获得高密度，X射线束还必须具有很高的谱强度，这就意味着构成这些X射线束的给定波长范围内的光子在单位时间内的通量极大。

高亮度X射线束对于许多重要的实验是必不可少的，因为在某些情况下亮度越大，能够进行有用的考察的目标就可以越小。此外，一个X射线源越亮，在实践中能够选择的波长范围就越窄。这种高度的选择性是有用的，例如在需要激发一种在某一谐振频率上有强烈吸收性的分子这一情况下。

除了具备必需的特性外，从这些装置(它们更确切的名称是存储环)发出的辐射的波长和能量范围就是考察物质的原子结构和电子结构所需的波长及能量范围。这两方面的特性决定了一种物质的几乎所有关键性质，例如其强度磁性和化学反应活性，以及它的导热和导电性能。最新一代X射线源正在帮助我们加深对许多重要问题的认识，例如疟疾寄生虫、光学干涉术、催化以及在原子尺度上操纵物质等。

同步加速器和存储环

科学家们知道下述事实已经有差不多一个世纪了：带电粒子每当加速、减速或改变运动方向时都会发出电磁辐射。这样，在圆形轨道上运动的粒子，即使其切向速度不变，也因为具有向心加速度而在绕弯曲轨道运动时连续地发出辐射。这一辐射称为同步辐射，因为它最初是在大约50年前在电子同步加速器(一类粒子加速器)中观察到的。事实上，同步加速器辐射也出现在自然界中(例如蟹状星云中)，它通过在强磁场中加速其速度接近光速的电子而发射出X射线。

同步加速器由一个其形状有点象炸面饼圈的真空室构成，它的周长可达许多公里。真空室由磁体围绕着，这些磁体的作用是使带电粒子束弯曲并聚焦，这样当它们的能量增加时它们在真空室内的运动径迹仍将保持不变。当粒子以远低于光速的速度运动时，它们发出的辐射比较弱，频率较低，而且是朝各个方向发出的然而，随着粒子的速度趋近于光速，它们发出的辐射的强度和频率就急剧增加，方向性也大大加强。辐射是沿着粒子弯曲路径的切线方向发出的。对于质量不大的粒子，如电子和正电子，这种发射特别强烈。

为了产生极明亮的辐射束以用于研究，实验人员通常使用存储环，即一种专门的同步加速器。带电粒子(通常是电子)在存储环中以匀速(接近光速)沿着不变的轨道环行许多个小时。这些粒子必须先用单独的一台加速器(常常是另一台同步加速器)加速后再注人存储环中。在劳伦斯伯克利国家实验室的高级光源上(ALS)，电子的环行速度达到光速的99．999996%。在这一速度下，由于爱因斯坦的狭义相对论所描述的效应，每个电子的质量将增大到其静止质量的3千倍。

当在存储环内迅速运动的电子发射出同步加速器辐射时，它们就丧失了部分能量。因此，必须使用一些专门设计的器件——称为射频腔——来补充损失的能量。这些装置建立起一个振荡电磁场（射频波)以加速运动中的电子。

每一波的波峰向一束电子提供能量。在射频波的每一周期中，这一过程发生一次(在高级光源中就是每秒发生5亿次)，其持续时间为50皮秒(1皮秒为10-12秒，即微微秒)。以接近光速的速度运动的每一个电子包细如头发丝．其长度约为1厘米，而存储环中有数百个这种电子包在同时运动，犹如在一个巨大的旋转项链中的许多微小珍珠一样。每个电子柬在偏离一条直线时都产生一个极短促的x辐射脉冲因此．存储环产生出许多短促、密集而明亮的x辐射脉冲。

存储环发射出的辐射跨越从红外到x射线的电磁波谱。然而物理学家们并不使用它发射出的可见光．因为现有的可调谐激光器在可见光波上发射的光束更明亮然而对于紫外区和X射线区的电磁辐射来说．现有的其它实用光源的亮度没有一种可与同步加速器辐射的亮度相匹敌。

存储环实际上是多边形的形状．其直线区段可多达50个，各直线段通过一些平缓弯曲的曲线段连接起来两类大功率的电磁体使粒子束聚焦．而第三类磁体则使电子的路径弯曲成一条曲线，从而产生同步加速器辐射。

在曲线段上，同步加速器辐射沿着电子柬的切线方向射出。因此，对于存储环上的每一曲线段，都有一个或一个以上的配套X射线束流线路（mearnline)供实验工作者使用。

若干因素的共同作用使得最新一代存储环的x射线亮度有大幅度的提高其中一个因素是功能强大的廉价微处理机的问世。由于有了以这些微处理机为基础的设计工具和控制系统，研究人员现在能够设计、模拟、建造韭运行一个存储环的不计其数的部件和子系统．以实现对电子柬的精密控制。操作人员可以使这一细如头发丝的电子柬精确定位．其误差不超过它的宽度的百分之几。这样极端精密的控制使电子束保持非常稳定的状态：电子束的移动可能会导致x射线束的亮度下降并变模糊。

另一个关键因素是使用了名为“波荡器”(undulator)的装置顾名思义，渡荡器的作用就是使电子束在几米的长度上来回摆动许多次。读者应当记得，每当电子的运动方向发生变化时——实际上就是一种加速运动——它就会发出电磁辐射波荡器迫使电子束的运动方向发生一系列迅速的变化，实质上就是从电子中取得尽可能多的辐射电子每次改变运动方向时发出的光波迭加起来，并相增强或互相抵消，视其波长而定最终结果是某些波长得到显著增强。这些波长的光波以一个狭窄锥体的形式射出，通常是部分相干的——也就是光波的波峰与波谷倾向于彼此重合——这样就使它在某些方面类似于激光。

波荡器的心脏是两个高强度永久磁体阵列，它们产生其方向交替向上和向下的磁场．与电子束的运动方向垂直。通过改变上面一列磁体和下面一列磁体的间隙．研究人员可以调节波荡器，使其发出的所有辐射都在某一特定的基频和其泛频(基频的整数倍)的附近。

前途光明

最新一代存储环产生的X射线束具有波长很短、亮度极高和部分相干等特点，使研究人员能够用它来研究某些就在五六年前还因为其尺寸大小或其它特性而难于研究一一如果说还不是无法研究的话——的物体和现象。目前有数百个研究项目正在进行，使研究人员获得了对种种千差万别的问题（例如光学组件的性能以及人体内关键蛋白质的结构和生物功能之间的关系等）的极有价值的详细了解。

这些实验有许多可能具有重大的技术意义，其它一些则可望阐明科学上的某些老大难问题。我们挑选的几个例子说明了科学家和工程师们如何用存储环来研究疟疾寄生虫、研究使未来集成电路中晶体管尺寸缩小的技术、研究催化作用在材料表面上发生的机理、产生微小试样的内部图象而又不破坏这些试样，以及阐明肌红蛋白分子的动态性质。在由一种病原生物引起的疾病中，疟疾是仅次于肺结核的二号杀手。据世界卫生组织估计，每年死于疟疾的人达270万之多，主要是儿童。现在没有有效的疟疾疫苗，而且此病对现有预防药的耐药性正在增强。在劳伦斯伯克利国家实验室的生命科学分部，Cathleen Magowan同Werner Meyer-Ilse、John T．Brown以及该实验室X射线光学中心的其它成员一起，正在用高级光源研究最致命的疟疾寄生虫Plasmodium falciparum在红血细胞中的生命周期。这种由雌性的Anopheles蚊传播的原生动物侵入受感染的宿主的红血细胞。在宿主的细胞内该寄生虫经过无性分裂周期将其后代扩散到越来越多的红血细胞中。一旦进入一个细胞内，它就在一个食物液泡中消化血红蛋白以产生它维持生存所需要的大部分氨基酸。

Magowan和她的同事们使用一台透射显微镜让X射线束穿过受感染的红血细胞以产生一幅放大的图象。他们研究疟疾寄生虫生命周期的各个阶段韭观察不同药物对它的作用效果以确定哪些药物最有效一以及为什么有效这些研究人员使用波长为2.4纳米的X射线所获得的分辨率比可见光显微镜的分辨率高5到10倍。除了照射波长较短以外，X射线的吸收所产生的天然对比，也使实验人员能够看到受感染的细胞内的细微结构，特别是疟疾寄生虫车身内的细微结构。这样就使他们能够研究疟疾寄生虫成熟过程中的发育情况。

此外，X射线吸收所产生的天然对比也使研究人员能够精确而直接地测量物质在疟疾原虫内的重新分布，而用可见光显微镜是不可能做到这一点的。这类特性的重要实例包括疟疾原虫食物液泡的异常(营养物在食物液泡中积聚起来)。X射线吸收提供的对比度使Magowan能够借以跟踪血红蛋白从红细胞的细胞质到疟疾原虫食物液泡中的重新分布(包括在正常条件下和药物治疗条件下)。抑制疟疾寄生虫的酶消化血红蛋白的药物使食物液泡充满未消化的血红蛋白从而能杀死疟疾寄生虫。Magowan和她的同事们测定了疟疾寄生虫食物液泡中增加的质量这在以前是不可能在微观尺度上进行的这些X射线研究以及Magowan作过的其它一些研究有助于开发控制疟疾的新颖的治疗方法。

明亮且部分相干的X射线束也可能对电子工业有所帮助。电子工业的核心业务是制造集成电路(芯片)该项业务每年的销售额达数千亿美元。芯片是通过一个多道工序的过程制造的这一过程在一块硅片上做出数百万个晶体管韭把它们互相连接起来以形成复杂的电子系统。芯片制造过程的心脏是以多次反复的光刻工序为基础，在光刻过程中通过紫外线把一个模板状掩模的图象投射到硅片的光敏涂层上。

在曝光时使用的光的波长决定了能够投射到芯片上的最小线宽从而也决定了芯片上晶体管的密度。目前，利用波长为0．248微米的紫外光所制造的芯片，其线宽为0．2磁米。但是，电子工业已经在计划研制其线宽为0．1微米及0．1微米以下的芯片对于生产线宽在0．1微米以下的芯片，目前有一种很有发展前途的方案，就是使用以极紫外辐射(EUV)为基础的光刻系统。这些EUV辐射的波长仅为13纳米，可能将由激光产生的等离子体发射出来。

极端干涉术

不过，存储环对于开发这些密度极高的集成电路的制造技术正发挥着非常重要的作用。EUV投射光刻术需要使用有多个涂层的反射镜以使辐射聚焦。(没有这样一种涂层反射镜就不能有效地反射几乎垂直地射到其表面上的EUV辐射。)为了使投射到硅片上的图案达到必需的精度投射图案的光学系统就必须有很高的精度，而硅片表面也必须非常平。这样高的精度又要求检测光学系统的方法必须能探测出其尺寸小于1纳米的误差(仅有5到10个原子那么厚)。使用可见光的光学检验方法难于达到这一要求——无论如何该方法不能对多层涂层进行检验。

但是，在ALS来自X射线光学中心和伯克利加利福尼亚大学电气工程与计算机科学系的研究人员正在开发一种测量光学系统性能的新方法。此种方法使用从存储环发出的EUV辐射，韭以一种高度灵敏的光学技术——干涉术为基础(干涉术就是通过从同一光源发出的两个或两个以上的相干光束的复合而获取信息)。只有从新一代存储环发出的辐射，才能提供这种场合所需要的狭窄而非常强烈的EUV波段上的光束。

使用干涉术时，各波束沿着不同的路径或以不同的方式传播。一个波束与待研究的对象相互作用，使该波束的相位改变(例如180度的相移就是把波谷变成波峰，而波峰变成波谷。)与此同时另外一个波束则起参考波束的作用。

当两个光束相遇(即复合)时，它们之间的相对相移——由待检测的光学装置的象差所产生——就显示为一个明暗条纹相问的图案。(在两束光发生相长干涉的地方出现亮条纹．而在发生相消干涉的地方则出现暗条纹。)遵循这一方法，以Jefev Bokor为首的上述研究小组建造了一台把来自波荡器光源的相干光分为两束的干涉仪。一束光被反射后穿过待测试的光学系统，在这一过程中产生了能揭示该光学系统性能水平的相位信息第二束光穿过一个微小的针孔，产生一个球形参考光束。该研究小组对紫外光进行的研究已经证明可以制造出精度足够高的反射镜，用于EUV波段上的投射光刻术。这样研究人员就克服了在镦电路上容纳更多的晶体管所面临的一个重大挑战。

明亮的同步加速器辐射还加深了我们对原子及分子如何与表面相互作用(键合)、以及由于这种相互作用它们的电子结构如何变化等问题的认识。这种认识对于研究腐蚀以及研究催化作用都是很重要的(催化就是某种化学物质的存在引起另外两种化学物质相互反应)。这两种现象都具有重大的实际意义：例如，催化作用在工业中用于生产多种不同的化合物。

如果对原子或分子如何与表面键合没有透彻的了解就不可能充分地认识这两种现象。为了研究这个课题，科学家们需要有一种探针，它能够观察形成一个化学键的电子在与该键有关的每个原子上是如何分布的现在，使用一个高亮度的X射线源和一种名为“X射线荧光波谱术的方法，能够获得这样一种“原子特异的认识”。

目前正在ALS工作的以瑞典乌普萨拉大学Anders Nilsson和Nial Wassdahl为首的一个研究小组同IBM公司阿尔马登研究中心合作，成为首批证实了这种能力的研究小组之一。这项对氮分子(N2)与镍表面之间的化学键的研究使我们对表面键的认识发生了革命性的变化。

已经知道氮分子是“站在镍表面而不是平躺在表面上的换言之，氮分子中的氮原子只有一个同表面键接，而另一个氮原子则从表面向上伸出由于氮原子与表面的键接比两个氮原子内部的键弱得多，因此化学家们曾认为，表面的存在对氮分子没有多大影响，这样就可以把氮分子当作由两个基本相同的氮原子组成的一个对称单元来处理。然而上述研究人员却发现，在吸附时氮原子的电子轨道发生很大的变化，导致两个氮原子中的每个原子出现极为不同的局部电子结构，而分子内的键（N—N键)则变弱。了解这一分解如何发生以及为什么发生，对于化肥以及其它含氮化合物生产中的氨合成可能是一个关键，因为现有生产流程中“卡脖子”的一步正是把氮分子分解成两个独立的氮原子。

研究人员利用ALS查看了两个氮原子的内壳层电子的能级差异(能级的不同意味着把一个电子从原子或分子中取出所需的能量也不同)。通过调节人射光子的能量，实验人员可咀有选择地激发一个氨原子或另一个氮原子的电子，而不激发氮分子被吸附在其上的镍表面的电子。有关氮原子外电子层结构的信息就包吉在被激发的愿子返回其基态时所发射的荧光X射线中。此实验需要一个高强度的x射线源，因为X射线荧光波谱术每吸收1000个光子才发射出一个光子并且还要求所产生的x射线的谱非常狭窄，以便有选择地只激发氮分子两个原子中的一个原子。

看透蚊子的膝

高亮度x射线柬的另一种潜在重要用途是相衬成象，此技术不久前由欧洲同步加速器辐射设施(ESRF)的Anatoly Snigirev及其同事首次进行了演示。他们的成就为生物学、矿物学和某些冶金学试样在微米分辨率上的无损伤成象开辟了道路。例如Snigirev小组最近利用此项方法作出了蚊子的膝的x射线横截面图象，令人大开眼界(见图7)。

x射线成象通常是以吸收对比为基础的正如人们熟悉的医学成象那样。在这种情况下，图象中之所以出现对比是因为某些物质(即主要由原子序数较低的元素如碳、氮、氧等构成的化合物)对x射线的透明性比其它物质要大，根据此种对比人们可以区别待检查的对象的不同组成部分。一般地说，由较重的原子构成的物质更容易吸收x射线，因为它们的电子密度更大。例如，在常规的医疗x射线图象中，骨胳显得很突出，因为它们在底片上投下的阴影比其周围的密度较小的组织更浓重。因此，吸收对比法不太适用于完全由原子序数较低的原子组成的试样。

相衬成象法依靠另一种效应。它利用的不是试样内不同物质在吸收上的差异，而是它们的折射率的差异。一种物质的折射率决定了光线在进入该物质后其方向的变化。对于x射线，不同介质的折射率的差异是极小的，充其量不过10分之一，但这样大的折射率对成象来说已经完全足够了。

短波长x射线相衬成象法的基本原理与全息摄影术的原理是相同的。从一个极明亮X射线源发出的相干x射线束穿过一个低密度试样。X射线波前的各部分将发生不同程度的偏转，其大小与折射率的微小差异有关。首先考虑一下在试样的边缘处会发生什么情况。正好从试样旁边经过的X射线不发生偏转，但是穿过试样的X射线则发生轻微的偏转，这样它们与未发生偏转的X射线就稍稍不同步了。在试样后的一定距离上，各组波前又迭加起来，而且，由于它们来自一个相干X射线束，因此发生干涉。这样就出现了干涉图案所特有的明暗条纹。这些条纹被探测仪器记录下来后，就描绘出了试样的外形轮廓。同样的干涉也发生在试样内音具有不同折射率的各个区域之间的界面上。此方法有一个令人振奋的优点。转动试样使其以各种不同的角度接受X射线的照射，然后对这一过程中作出的一系列图象进行重构，就可以作出试样的断层“切片”，正如医院的CT扫描得出的断层照片一样。

明亮的X射线束也有助于阐明科学上的一些老大难问题，包括在生物学上有重要意义的分子(如蛋白质1的纳秒行为(nanosecond-by-nanosecond behavior)。由于蛋白质对于了解生命与疾病以及对于开发新药具有重要意义，因此生物学研究人员和制药行业对光源的要求越来越高。蛋白分子(包括酶、激素和抗体等)是生物的基本结构单元。

探索蛋白质分子行为的研究工作的关键在于一种名为大分子结晶学的方法。这是同步加速器辐射的重要用途之一，它使研究人员能够对构成大生物分子(如蛋白质和病毒等)的成千上万个原子进行绘图。

在这些研究中所获得的信息基本上是大分子中各个原子的位置的一幅静态图景或快照。但蛋白质监不是静态的、刚性的分子。它们在执行其生物功能时经历了种种复杂的结构重组。目前，测量并了解这些变化基本上还属于未探索过的领域，但是有明显的证据表明新的高亮度设施将有助于这一研究方向的工作取得进展。

例如，ESRF的Michael Wulff与芝加哥大学的Keith Moffat以及其它一些人合作，得以跟踪观察肌球蛋白的快速的结构重组。(肌球蛋白是肌肉组织中的一种蛋白质，其功能是吸收并存储氧。他们的研究结果有点象一部电影，其中每一帧画面都是由一个纳秒级的x射线脉冲摄下的，它描绘了肌球蛋白分子在大约1毫秒的时间内的变化情况上述研究人员目前正在尝试发现使氧分子得以进入或者离开肌球蛋白分子内的笼形容器的具体结构变化。

当前一代光源的强度使单个脉冲就含有足够多的光子，可以摄下一幅足以重构出蛋白质构形的x射线图象(实际上是一个衍射图案)。为了跟踪肌球蛋白在释放和重新结合一氧化碳的过程中其结构重组的情况，使用一台复杂的电子装置来控制其持续时间短于1纳秒的激光脉冲的到达。这一个脉冲使氧分子和血红素位点之间的化学键被破坏(血红素位点是肌球蛋白分子中含铁的部分)。在实验中研究人员用一氧化碳代替氧，因为一氧化碳在吸收一个激光光子后脱离血红素位点的概率比较高。

激光脉冲通过光化学作用使一氧化碳从肌球蛋白中释放出来，此后稍等一段极短暂的时间研究人员再摄取X射线快照这一实验反复进行多次，每一次都使激光脉冲和X射线快照之间的间隔时间稍微延长一点。将所有这些快照综合起来，研究人员就作出了一部显示纳秒尺度上的结构变化情况的电影。此电影表明，在反应开始之后几纳秒，一氧化碳分子离铁原子约有4埃的距离。(铁原子位于肌球蛋白分子含铁部分的核心，一氧化碳分子起初就结合在铁原子上。)而且，在那一瞬间，一氧化碳分子相对于其初始的取向转动了90度。在这一“保持位置”上，一氧化碳分子可能等待数百纳秒，直至周围环境的情况使它能离开蛋白质韭得以参与为肌肉收缩提供必需能量的化学反应。

最重要的是，研究人员首次得以真正地观看一个动态的分子一生物过程的时间行为这一成就打开了在原子尺度的细节上认识与蛋白质有关的其它重要反应的运动学和动力学的道路。

极亮光源的广泛用途共同推进了整个的科技领域的发展，有时甚至是使它们发生了革命性的变化，以上所述用途不过是其中几个例子而已。最终这些成就将使建造更新一代光源势在必行。这些超亮光潦可能以自由电子激光器为基础，而自由电子激光器的核心则是非常长而复杂的波荡器。(在这些波荡器中上游产生的光子在下游处与电子脉冲反应。这一反应强化了与上游发射的光子同步的更多光子的射线。)

这一技术所产生的光束，其亮程度比现今的存储环产生的光子高许多散量级，从而将保持这一领域的惊人的进展势头。更重要的是这些未来的装置将加深我们对越来越复杂的系统的认识，进一步扩用这种神奇的光能够阐明的现象范围。