光源是粒子加速器的一種形式，它能產生強大的X射線和其他光譜光束，使科學家能夠在不對材料進行物理改變的情況下窺探材料的微觀結構。這些機器與其他加速器不同，它們利用振盪磁場直接產生光。 從利用硬X 射線研究原子結構到利用太赫茲波檢查電子結構，它們在各個科學領域都發揮著至關重要的作用。

光源是一種粒子加速器 ，可產生強大的X 射線、紫外線或紅外線光束。 這些光束類似於在強光前拿著一個信封，可以揭示信封裡的東西。 但是，透過使用比醫生辦公室裡的X 光機強大得多的特殊類型光線，這些光源可以幫助科學家看到物質內部的情況。 這就像不用打開信封就能看到信封內部一樣。 這使科學家有能力揭示材料在微觀或奈米級尺寸以及超快速度下的行為。

光源的功能和機械原理

用於產生光的粒子加速器與用於探討基本粒子秘密的高能物理機器的運作方式略有不同。 光源利用粒子束直接發射光，而不是透過粒子碰撞來觀察產生了什麼。 光束通過一個叫做”波蕩器”的裝置，波蕩器會產生一個交變磁場，光束路徑就會發生一連串微小的擺動。 每次路徑彎曲，粒子都會發射光子。

一個波蕩器中可能有幾十個這樣的振盪，每個振盪發出的光子加起來就是一束非常強的光束，其亮度大約是普通醫用X 光機的十億倍。 每個光源可容納多個波蕩器，並可同時為數十個不同的實驗服務。

可見光是電磁波譜中很小的一部分。 光源利用可見光以外的光來研究微小尺寸和超快速度的世界。 資料來源：美國國家航空暨太空總署

光的光譜和應用

光源在電磁波譜的特定範圍內工作。 此頻譜包括宇宙中所有不同類型的電能和磁能。 它們是根據其傳播的波的大小來劃分的。 我們看到的可見光只是光譜的一小部分。 X 射線、紫外線和紅外線是光譜的其他部分，它們各自有自己的波長範圍。

不同波長的光有不同的用途。 阿貢國家實驗室指出，一般來說，波長比可見光短的光，如X 射線的短端，可以窺探原子結構。 這意味著X 射線可以識別材料樣本中的元素。 波長最短的X 射線（有時稱為”硬X 射線”）是確定晶體或分子中原子位置的理想選擇。 波長較長的X 射線（有時稱為”軟X 射線”）和紫外線是研究化學反應的理想選擇。 紅外線可用於研究分子和固體中的原子振動。 最長的紅外光被稱為太赫茲波，可用於研究某些類型的電子結構–電子及其能量在原子核周圍的排列方式。

光源的科學與影響

光源幾乎影響所有科學領域。 研究人員可以利用光源發現用於電池、太陽能電池板、微電子以及量子材料的新材料。 他們可以觀察材料的形成過程或使用過程中的降解過程，從而了解如何製造出更好的材料。 他們能夠看到運作中的設備，甚至是奈米級的設備，並獲得其他方式無法獲得的資訊。 它們可以對細胞和其他生物系統進行成像，甚至是三維成像，從而揭示生命的基本過程。 它們甚至可以顯示蛋白質等非常複雜的分子結構。 這為致命疾病（包括COVID-19）的治療提供了新疫苗和新療法。

概況

根據lightsources.org的統計，全世界有50 多個光源正在運作或建造中。

光源的一個重要進展是X 射線自由電子雷射器，如利納克相干光源的X 射線自由電子雷射。 它們與雷射類似，但使用的是以接近光速運動的電子束，是一種獨特的強力可調光源。

美國能源部科學辦公室基礎能源科學計畫為世界上最強大的五個光源提供支援。 這五個光源都是使用者設施–向世界各地的研究人員開放的設施。 這些設施的研發、規劃、建設和運作由基礎能源科學計畫的科學用戶設施部負責管理。 五個光源使用者設施包括

勞倫斯伯克利國家實驗室的高級光源（ALS）是世界上最明亮的高品質、可靠的真空紫外光和軟X射線源之一，為各種科學學科提供了支援。

位於阿貢國家實驗室的先進光子源（APS）是世界上僅有的四個第三代硬X射線同步輻射光源之一，為許多科學領域帶來了新發現。

位於布魯克海文國家實驗室的國家同步輻射光源II（NSLS-II）是最先進的同步輻射光源，它使科學家能夠探測物質的基本特性，為新的科學發現和創新鋪路。

位於SLAC國家加速器實驗室的Linac相干光源（LCLS）是世界上第一個硬X射線自由電子雷射設施，能夠產生強度極高且成團的超快脈衝X射線。

位於SLAC 國家加速器實驗室的史丹佛同步輻射光源（SSRL）可產生強烈的X 射線，作為研究人員在原子和分子層面上研究我們這個世界的資源，從而促進能源生產、環境修復、奈米技術、新材料和醫學方面的研究和進步。

編譯自/ scitechdaily