光源是粒子加速器的一种形式，它能产生强大的X射线和其他光谱光束，使科学家能够在不对材料进行物理改变的情况下窥探材料的微观结构。这些机器与其他加速器不同，它们利用振荡磁场直接产生光。 从利用硬 X 射线研究原子结构到利用太赫兹波检查电子结构，它们在各个科学领域都发挥着至关重要的作用。

光源是一种粒子加速器 ，可产生强大的 X 射线、紫外线或红外线光束。 这些光束类似于在强光前拿着一个信封，可以揭示信封里的东西。 但是，通过使用比医生办公室里的 X 光机强大得多的特殊类型光线，这些光源可以帮助科学家看到物质内部的情况。 这就像不用打开信封就能看到信封内部一样。 这使科学家有能力揭示材料在微观或纳米级尺寸以及超快速度下的行为。

光源的功能和机械原理

用于产生光的粒子加速器与用于探究基本粒子秘密的高能物理机器的运行方式略有不同。 光源利用粒子束直接发射光，而不是通过粒子碰撞来观察产生了什么。 光束通过一个叫做"波荡器"的装置，波荡器会产生一个交变磁场，光束路径就会发生一系列微小的摆动。 每次路径弯曲，粒子都会发射光子。

一个波荡器中可能有几十个这样的振荡，每个振荡发出的光子加起来就是一束非常强的光束，其亮度大约是普通医用 X 光机的十亿倍。 每个光源可容纳多个波荡器，并可同时为数十个不同的实验服务。

可见光是电磁波谱中很小的一部分。 光源利用可见光以外的光来研究微小尺寸和超快速度的世界。 资料来源：美国国家航空航天局

光的光谱和应用

光源在电磁波谱的特定范围内工作。 该频谱包括宇宙中所有不同类型的电能和磁能。 它们是根据其传播的波的大小来划分的。 我们看到的可见光只是光谱的一小部分。 X 射线、紫外线和红外线是光谱的其他部分，它们各自有自己的波长范围。

不同波长的光有不同的用途。 阿贡国家实验室指出，一般来说，波长比可见光短的光，如 X 射线的短端，可以窥探原子结构。 这意味着 X 射线可以识别材料样本中的元素。 波长最短的 X 射线（有时称为"硬 X 射线"）是确定晶体或分子中原子位置的理想选择。 波长较长的 X 射线（有时称为"软 X 射线"）和紫外线是研究化学反应的理想选择。 红外线可用于研究分子和固体中的原子振动。 最长的红外光被称为太赫兹波，可用于研究某些类型的电子结构--电子及其能量在原子核周围的排列方式。

光源的科学与影响

光源影响着几乎所有科学领域。 研究人员可以利用光源发现用于电池、太阳能电池板、微电子以及量子材料的新材料。 他们可以观察材料的形成过程或使用过程中的降解过程，从而了解如何制造出更好的材料。 他们能够看到运行中的设备，甚至是纳米级的设备，并获得其他方式无法获得的信息。 它们可以对细胞和其他生物系统进行成像，甚至是三维成像，从而揭示生命的基本过程。 它们甚至可以显示蛋白质等非常复杂的分子结构。 这为致命疾病（包括COVID-19）的治疗提供了新疫苗和新疗法。

概况

根据lightsources.org的统计，全世界有 50 多个光源正在运行或建设中。

光源方面的一个重要进展是 X 射线自由电子激光器，如利纳克相干光源的 X 射线自由电子激光器。 它们与激光器类似，但使用的是以接近光速运动的电子束，是一种独特的强力可调光源。

美国能源部科学办公室基础能源科学计划为世界上最强大的五个光源提供支持。 这五个光源都是用户设施--向世界各地的研究人员开放的设施。 这些设施的研发、规划、建设和运行由基础能源科学计划的科学用户设施部负责管理。 五个光源用户设施包括

劳伦斯伯克利国家实验室的高级光源（ALS）是世界上最明亮的高质量、可靠的真空紫外光和软X射线源之一，为各种科学学科提供了支持。

位于阿贡国家实验室的先进光子源（APS）是世界上仅有的四个第三代硬X射线同步辐射光源之一，为众多科学领域带来了新发现。

位于布鲁克海文国家实验室的国家同步辐射光源 II（NSLS-II）是最先进的同步辐射光源，它使科学家能够探测物质的基本特性，为新的科学发现和创新铺平道路。

位于SLAC国家加速器实验室的Linac相干光源（LCLS）是世界上第一个硬X射线自由电子激光设施，能够产生强度极高且成团的超快脉冲X射线。

位于 SLAC 国家加速器实验室的斯坦福同步辐射光源（SSRL）可产生强烈的 X 射线，作为研究人员在原子和分子水平上研究我们这个世界的资源，从而促进能源生产、环境修复、纳米技术、新材料和医学方面的研究和进步。

编译自/scitechdaily