电磁辐射是研究物质的化学性质及其结构特征的普遍适用的探测方法。自1960年以来，研究者越来越多地可以使用能提供一种独特形式的电磁辐射的辐射源，这种辐射源被称之为同步辐射。同步辐射的使用，反过来对那些与光子和原子相互作用有关的许多实验都发生了很大的影响。

同步辐射通过具有非常高能量的电子或正电子在磁场中运动轨道的弯曲而自然地被发射出来。由于高能物理为了研究高能粒子相互作用的需要，数十亿电子伏特的圆形电子和正电子加速器（同步加速器）及存貯环已被建造起来。这种机器能产生极高强度及极宽频带的电磁辐射，而它的电磁辐射的产生过程则类似于由天线发射普通电磁波的过程。

被发射出来的同步辐射严格地平行于机器中的电子轨道平面。同步辐射所特有的性质：它的宽的频谱分布（由X射线扩展到红外波长），它的高强度，以及它的时间及偏振结构特性，使它成为许多实验所需要的极好的光源。

在过去的十年中，科学家越来越多地把同步辐射用来作为光子源。使用同步辐射的早期实验可以回溯到1950年在康奈尔大学及美国国家标准局的工作。1960年末，在威斯康星大学称之为丹它勒斯（Tantalus）—号的小型存貯环开始产生同步辐射，它的有用波长扩展到约60埃左右。约在同一时间，也开始使用更大和更高能量的电子加速器——西德汉堡的DESY电子同步加速器——来做实验。该机器把电子加速到五十亿电子伏特以上，因而它所产生的同步辐射的频谱可扩展到X射线波长（小于1埃）。在DESY实验室，虽然已成功地进行了有关远紫外区的测量工作，但是由于在同步加速器中电子束的位置总是在作快速的移动，（在同步加速器中，一秒钟内电子被注入、加速、取出许多次），同时也因为X射线单色仅只能有很小的接收角，因而使X射线的实验难以进行。

1974年在斯坦福大学，斯坦福直线加速器中心的斯坦福正电子电子加速环（SPEAK）已可被用来作为提供高能同步辐射的更稳定的辐射源。SPEAR实验室是为研究数十亿电子伏特能量的电子——正电子碰撞而设计的，它可被用来发现和分析新族亚核基本粒子。1972年末，在斯坦福正电子电子加速环（SPEAR）运行后不久，由美国国家科学基金会组织的委员会为同步辐射研究推荐了在美国运行的两个国家中心，即在斯托顿的由Ednor Rowe领导下的威斯康星大学物理科学实验室的丹它勒斯一号环和由Sebastian Doniach领导下的斯坦福正电子电子加速环（SPEAR）。在这个时期里，意大利、法国、英国、日本及苏联也都建立了同步辐射研究实验室。

随着斯坦福同步辐射实验室（SSRL）在这方面实验工作的经验的积累，越来越清楚地感到数十亿电子伏特存貯环作为能量范围扩展到X射线波段区域的光子源来说，它具有非常优越特性（这一点是与电子同步加速器相反的），它允许被用来在整个X射线波段内进行实验工作。丹它勒斯一号环和斯坦福正电子电子加速环以及国外的其它一些存貯环继续为科学家提供开拓同步辐射的新的研究应用以及工艺应用的方法。本文将着重介绍一些这样应用的例子，由这些例子可以说明在同步辐射使用中所呈现出来的现在和未来的趋向。

光子与化学

电磁辐射很早就被用来研究化学家感兴趣的物质的特性。一种物质的颜色实际上是在作了适当的定标以后，颜色当然是物质的电子结构的一种指示。高强度、宽频带的光子的利用立即把吸收光谱的能量范围扩展到以前不可能得到或者利用普通光源（例如气体放电灯或X射线管）很难达到的区域。利用各种不同的单色仪，实际上可以在同步辐射所产生的整个频谱范围内，根据实验的需要选择使用其中的任一波长。

除吸收光谱以外，对能量高于样品电离阈值的光子的其它各类光谱学也可以被采用。光电子发射、光电离及光分解就是有效地利用同步辐射谱中的软X射线波段的几个例子。这些技术的应用对了解物质的电子结构以及在表面上发生的化学过程具有非常重要的意义。而且当光子的波长与原子间距（几个埃的数量级）可以相比拟时，衍射效应也开始变得重要。由电子存貯环产生的高强度、高稳定性的光子束流的利用使许多以上所提到的这些实验得到进一步的发展。

例如现在来考虑X射线衍射技术，它是用来决定晶体结构的结晶学测量的经典工具。当入射的X射线波长调节到晶体中某选定的元素的吸收限（内壳层电子的电离能）附近时，原子对X射线的散射方式将发生很大的改变，因而高强度的、波长可变的X射成束将对结晶学提供附加的测量内容。该效应被称之为反常散射效应，它能被用来帮助解决结晶学中的著名的相变问题。因此利用同步辐射，有可能对较小的样品而以更高的速度收集X射线的衍射数据；同时利用辐射源的频谱可调性质，可以更容易地决定物质结构。

在使用波长可变的X射线及紫外射线源后变得更加有效的另一类光谱是萤光发射谱。对激发X射线发射谱，采用高强度的X射线束（而不是采用以前经常使用的电子或正电子束），可以极大地提高痕量元素分析的灵敏度。因为在存貯环中的电子精确地以束的形式循环，所以由它产生的同步辐射光是非常稳定的、亚毫微秒克脉冲，它每隔一微秒重复一次。这种短的、脉宽非常狭窄的光脉冲形状（与由普通的气体放电灯所产生的光脉冲形状比较起来，它没有“尾巴”）对光受激态的寿命的决定具有非常重要的意义。更重要的是同步辐射的应用把这些测量的可能性扩展到真空紫外区域，而在该区域里激光光源常不能被有效地使用或者甚至不能被使用。

以上这些仅是同步辐射已被有效地应用的一些例子。但是应该注意，同步辐射并不能改革光谱学的所有领域，——例如在可见光区域它的强度不能与激光光源强度相匹敌。然而尽管如此，包括化学、生物学及物理学的许多领域的科学家已开始利用同步辐射来提高最一般光谱方法的功能，和开拓光子科学的新领域。

X射线吸收光谱

自从1960年初美国国家标准局的开创性的工作以来，同步辐射已成为研究原子及分子在真空紫外光谱区中的光吸收横截面的主要工具。由于紫外光在物质中的穿透能力非常差，所以这种研究大部分都必须在低气压下的气相中完成。采用X射线波段的同步辐射，可以扩展这些研究的频谱范围。因为X射线在物质中具有比较大的穿透能力，所以对处在大气环境中的固体或液体都能方便地得到它们的X射线谱。因此X射线能很容易地被应用来解决在巨分子及固体的研究中所提出来的结构问题。

从1920年以来，对X射线吸收谱以及在吸收限以上的精细结构（称之为扩展X射线吸收精细结构，或EXAFS）已进行了很多研究工作。因为由电子存貯环产生的X射线具有高强度以及频谱连续的特点，所以同步辐射能精确地把这种X射辫吸收谱记录下来，特别是在稀释样品的情况下更能作精确的记录。随着EXAFS的量子理论的进展以及数据分析新技术的最近发展，同步辐射已把EXAFS的研究工作由纯粹的物理的猎奇性的工作提高到成为化学及物质结构分析的新的有力工具。在由X射线管发射出来的X射线中，白频谱的辐射本底的强度与X射线管的特征发射线的强度比较起来要小得多，所以由X射线管产生的处于非特征线能量的光子强度要比电存貯环（如SPEAR）所产生的X射线强度低3~4个数量级。采用由存貯环产生的X射线，需要几分钟就能记录下来的X射线吸收谱，如果采用通常的X射线管和单色仪，则就需要几天甚至几个星期才能把X射线吸收谱记录下来。在斯坦福同步辐射实验室（SSRL），由来自美国各地以及来自日本、加拿大和欧洲各国的科学家所组成的许多研究小组已测量得到了大量的能量范围在4千电子伏特到3万电手伏特的X射线吸收谱。

早在1970年，当时在华盛顿大学工作的Edward Stem和Dale Sayers以及波音公司的Farrel Lytle就提出利用X射线吸收谱来求得有关物质结构的信息。它的早期工作是采用由X射线管发射出来的X光对较浓缩的样品进行测试。而现在高强度X射线的使用可以对各种各样处于各种不同物理状态的样品获得更为精确的数据。

对X射线吸收限及EXAFS数据的分析可以得到关于被研究元素的电子状态及其结构的信息。即使被研究的元素并不处在晶体点阵中，我们也能决定在该元素周围约一个原子尺度范围内的局部结构情况。华盛顿大学、贝尔电话实验室以及斯坦福大学的研究小组采用同步辐射对许多已经知道它们结构的化合物进行了研究，其结果表明EXAFS分析不仅能够测量吸收原子与它的近邻原子间的距离（其测量精度可达到百分之几埃）；而且在合适的条件下还能给出原子配位数（大约在5个原子中可决定一个原子）。利用EXAFS的数据还可得到有关在吸收原子周围是什么类型原子的信息。由于该方法能应用于气体、固体或液体，因此它能直接被用来比较在各种不同物理条件下金属原子周围的局部情况。例如可以把溶液中的溶质原子间的距离与处于晶体中的原子间的距离相比较。调节X射线的波长，以选择合适的吸收限，可以在其它原子存在的情况下对某个特定的原子进行研究。

EXAFS光谱已为研究由生物系统提取出来的非晶态样品中金属原子的周围情况提供了特别有效的工具。其中一个例子就是对红素氧还蛋白（rubredoxin）一种与生物体的氧化还原反应有关的低分子量蛋白质的研究工作。红素氧还蛋白包含有一个铁原子，在它周围有四个胱氨酸的硫原子。通常的X射线结晶学研究初步认为四个Fe-S键中的三个，它们的键长具有正常的长度（2.34埃），而第四个键长却比较短（小于2.05埃）。贝尔实验室的Robert Shul-man以及他的同事和华盛顿大学的Edward Stern以及他的协作者，他们对X射线吸收谱的研究表明所有Fe-S键实际都具有相同的键长，2.26埃（其中包括约为0.05埃的误差）。对X射线谱结构的进一步分析研究已得到了与由EXAFS方法所决定的相互一致的键长。

Shulman和他的同事最近已研究了在含氧及脱氧的血红蛋白内铁原子与卟啉氮原子间的距离。与由结晶学研究得到的结果相反，他们的EXAFS研究表明在血红蛋白的脱氧时铁原子离开血红素平面的距离比0.7埃小得多。这一观察到的重要结果说明血红蛋白对氧的亲和力与在血红蛋白中已含有的氧原子数目有关的“合作”现象不能用下面的简单模型加以解说，即认为合作现象是通过在氧饱和时铁原子相对于血红素的移动作为中间媒介而产生的。这些结果表明必须考虑与铁原子位置基本没有关系的其它因素。这一例子也说明了EXAFS在精确决定原子等价位置距离中的功用，而此距离即使采用具有高分辨率的蛋白质晶体也是难以获得的。这就是EXAFS为什么把全部注意力都集中在金属原子及其周围局部情况的原因。

在没有晶体点阵结构可以利用的巨分子情况，EXAFS能提供有关金属离子周围配位的信息，而这信息可以帮助我们辨认在金属酶中作用位置的性质。在普渡大学的Leonard Morten-son和来自华盛顿大学及查理士、凯特林实验室的科学家的协作下，斯坦福大学的最近研究工作已把注意力转移到氮化酶系统。氮化酶是一种细菌酶系统，它把空气中的氮气转化成氨。酶中包含有钼及铁原子，两者可能都是作用位置的成分。现在EXAFS的研究结果清楚地表明钼与硫原子成键，而并非像以前所提出来的那样与氧原子成双键。进一步的研究发现钼的次近邻是一组铁原子，这一发现为寻求解决这一重要酶的结构这个谜的答案提供了新的突破口。目前正在努力地寻求适合于氮化酶中这些作用位置的化学模型。

X射线吸收谱的研究也被用来作为两种不同情况的比较。EXAFS研究表明由氮化酶提取出来的低分子量FeMo辅助因子中的钼原子周围情况实际上非常相似于在活的蛋白质中的铝原子的周围情况。因此，在由氮化酶提取辅助因子过程中，辅助因子中的铝位置基本上保持原样。

EXAFS也已被推广用来研究表面上的原子吸附及催化剂。例如，华盛顿大学的Stem及其协作者对吸附在石墨衬底上的单层溴分子的研究工作已给出了有关吸附分子的方位及Br-Br原子间距离的情况。贝尔实验室的Peter Eisenberger和Paul Citrin对吸附在单晶银上的单层碘分子进行了EXAFS的研究工作，由此测量得到了Ag-I键长，而如果采用其它方法，例如LEED（低能电子衍射），是很难测得键长的。LEED是决定吸附层原子点阵参数的有用方法，但是要用它来说明吸附原子与衬底原子间的键长却是非常困难。

埃克森研究实验室的John Sinfelt及波音实验室的Linden，N. J. 和Farrel Lytle采用EXAFS方法对更复杂的多相化剂进行了研究，在这种多相化剂中把分得非常细的金属混合物（包括钌、铜及其它金属）附着在非晶态的二氧化硅的粒子上。这些化剂在石油提炼过程中特别感兴趣。由于化剂粒子只有非常小的体积（几十埃范围内），因此很难决定这些金属元素是否结合成均匀的合金或更复杂的东西。由EXAFS的研究已获得了对Cu/Ru系统的结构模型，在此钌微粒被一个或二个原子层的铜所覆盖，而它们远不是处于均匀的合金状态。

使用EXAFS的方法也已研究了均匀的和多聚物化系统。贝尔实验室的Peter Eisenberger Brian Kincaid、Joseph Reed和Boon-Keng Teo首先研究了与Wilkinson化剂相等价的多聚物化剂[(C₆H₅)₃P]₃RhCl，并发现当Rh（Ⅰ）催化剂附着在2%交叉键合的多聚物上时它聚合成为双核氯桥聚合体的形式。当化剂被氢还原时，氯化物失去了给出被贝尔实验室的科学家们所提出来的成为多聚物单体Rh（Ⅲ）的氯的氢化物的能力。对含溴的Rh（Ⅰ）多聚物化剂的进一步研究表明较高的交叉键合（20%）将大大地减少二聚作用的发生。这些EXAFS的研究从结构上给出了多聚物的交叉键合如何影响化剂活性的解说。随着交叉键合的增加，非活性的二聚物的形成受到压抑，因此，直至交叉键合的进一步增加开始使衬底有效互作用受到阻碍时为止，化剂的活性将随着交叉键合的增加而增加。这些化系统及其它一些化系统的进一步研究或许可以说明分子如何发生化作用的详细情况，并通过对多聚物等仿体的研究建立起均匀的化系统与多相化系统间的关系。

来自加利福尼亚大学（贝克莱）的David Shirley及其研究小组以及来自齐洛克斯研究实验室的Robert Bachrach及其协作者和SSRL的Joachim Stohr最近在SSRL所做的实验已经研究了低原子序数元素的吸收限。对钛已观察到在450电子伏特L_Ⅱ，Ⅲ吸收限以上的EXAFS谱。这些研究把EXAFS扩展到电磁辐射谱的极软X射线区，在此，重要的第二列和第三列元素的K吸收限都处在这一区域。可以证明，这一技术对指出与金属表面发生相互作用的是如何小的气体分子（例如一氧化碳）是重要的。

X射线成像

X射线光刻是一种使具有微米或亚微米图形（例如集成电路的图形）的掩膜版多次地进行复印的工艺技术。在商业上感兴趣的是利用软X射线同步辐射来复制这样的亚微米图形。做实验时，可通过需要被复制的主掩膜对X射线灵敏的多聚物（光致抗烛剂），例如聚甲基丙烯酸酯进行曝光。然后通过显影把被曝光的光致抗蚀剂去掉，在抗蚀剂去掉的那些地方对衬底进行腐蚀而得到所要求的图形。IBM研究中心的Eberhard Spiller以及其协作者已表明通过一系列在DESY实验室使钌的实验步骤，使用该方法可实现亚微米图形的光刻。

同步辐射对超大规模集成电路工艺的应用是非常有前途的。对电路工艺采用通常的电子束刻蚀方法是比较费时间的，而且由于电子束的次级效应（由于电子对基片的碰撞而产生的X射线）将在光致抗蚀剂内产生不需要的损坏，这就降低了复制图形的精度。

X射线光刻工艺可以采用X射线管，也可以采用同步辐射作为X射线源。采用同步辐射作为X射线源的优点在于它具有足够高的强度，因此即使在光致抗蚀剂不是非常灵敏的情况下，也只需要非常短的曝光时间（约1秒钟）。而且由于同步辐射具有非常高的准直性，因此采用同步辐射的光刻可以得到具有非常大方位比（即沟槽的深度与宽度之比）的平行的深沟槽。

IBM研究小组进一步指出，根据显影后的未曝光的抗烛剂的扫描电子显微镜的分析，巨分子结构的光刻已得到接近100埃的图形分辨率。因为生物体结构的大小与软X射线的波长比较起来要比电子显微镜的相似分辨率大得多，所以这些应用对超分子结构的研究看来似乎也是有用的。而且样品能在非破坏性条件下，例如在氦气氛下进行检查。另一个优点是通过在要观察的元素的吸收限附近对入射波长的调节，可以使在复杂样品中的某个特殊元素的观察变得更加清楚。

X射线局部解剖学是另一种成像方法，它对结晶化合物的质量控制发现有许多应用，在此晶格点阵中的缺陷、裂缝、空位及位错都必须被监控。与X射线光刻的情况相似，同步辐射光的高强度及高准直性使它特别适用于局部解剖学的实验。而且由于同步辐射具有连续的光谱，因此可以利用来实现劳厄衍射技术，它不需要样品和光束之间有一个严格的方位关系。在晶体解剖学中，由于完整晶体对X射线的反射能力与畸变晶体的反射能力不一样，因此根据两者的对比度就可以指出晶体中的缺陷。利用同步辐射，可以对受有应力的晶体所发生的必威在线网站首页网址 畸变效应进行解剖学研究。

利用光电子谱进行表面研究

在光电子谱中，用具有足够能量的单色先照射样品，使它产生光电子发射。由此产生的光电子根据它们的能量分布进行分析，在各个能量增量范围内的光电子强度是作为电子的发射方向、电子的能量以及入射光束的方向的函数而被测量的。如果所有这些变量都被分析，根据这样的实验可以得到初始电子状态及最终电子状态在坐标空间及动量空间内的特性。在比通常所用的激光短得多的波长处，具有高强度发射能力的同步辐射源使光电子谱对与固体、表面及气体有关的电子及结构问题的应用重新发生了巨大的兴趣。

最近光电子发射实验已使用同步辐射来研究晶体的清洁表面。因为电子平均自由程与能量有关，作为光激发的结果，光电子主要来自固体表面，所以光电子发射是研究表面效应的有用工具。过去十年来的工作已经表明随着光电子的能量由几个电子伏特增加到50或100电子伏特时，由于这些光电子与固体本身的价电子进行碰撞，因此使能逸出表面的电子平均自由程下降到几个埃。因此如果采用50到100电子伏特的波长可变的辐射源，被激发的光电子将主要都来自于固体的表面原子层。光电子的最后能量谱表示了表面原子或者紧靠表面的原子的电子状态，而并不表示衬底体内原子的电子状态。这方面的信息对想要了解小分子（如一氧化碳或氧化氮）在表面上的成键或吸附的精确状态以及表面原子本身的电子状态的表面物理学家及化学家来说是非常重要的。因为在许多材料中，表面原子的化学状态与体内原子有明显的差别，因此这方面的实验就显得特别有价值。

斯坦福大学的William E.Spicer及其协作者最近对砷化镓单晶的清洁表面进行了实验，探测了砷原子及镓原子在氧化时的表面性质。这些研究者利用同步辐射作为光源对表面原子的内壳层电子产生感应光电子发射（这与一般对体内材料所作的X射线光电子谱方法相同）。他们的结果表明在砷化镓［110]晶面上的氧原子优先与砷原子键合而不是与镓原子键合。因为这些研究能帮助我们了解在半导体器件生产过程中如何控制利用这种氧化效应，所以它们对半导体工业来说具有十分重要的意义。来自柏罗· 阿尔托的齐洛克斯研究中心的Stig B. M. Hagstrom及其同事进行了相类似的研究工作，确定了在铝表面氧化的初始阶段A1—O键的性质。

同步辐射源也正在使一些纯材料——金属及化合物的电子状态的研究获得进一步发展。在这些实验中（它们也可用通常的紫外光源来完成），被发射的光电子数与发射角间的依赖关系可以与光电子能量相联系起来给出价带及导带中的电子状态的能量与动量间的关系。使用丹它勒斯存貯环，贝尔实验室的Neville V. Smith及蒙大拿州立大学的G. J. Lapeyre首先完成这一类分析。加利福尼亚大学贝克莱的David A. Shirley及其小组使用SPEAR（斯坦福正电子电子加速环）已把该技术推广来研究像铜这类金属的整个三维能带结构。

对吸附在表面上的气体分子如何影响光电子的详细情况的了解能提供有关吸附分子相对于衬底的空间位置关系的讯息。1971年在约克通 · 哈汗刺的IBM实验室的Dean Eastman及J. K. Cashion使用氦共振灯作为光源作了真空紫外的研究，指出光电子谱或许可用来观察像一氧化碳这类分子当它来束缚在金属衬底表面上时，它们的电子能级的变化。

宾夕法尼亚大学的Ward Plummev，Torgny Gustaffson以及John. Freeouf 1975年在丹它勒斯环所做的工作进一步提供了有关小分子如何与金属的清洁表面相互作用的信息。例如，他们确定了当一氧化碳束缚在铂表面上时，碳附着在铂原子上，而整个一氧化碳分子的方位垂直于铂表面。可以看到，这类信息是很难从LEED的表面分析得到的。虽然LEED对决定吸附原子在表面上的排列情况是非常有用的，但是它却很难用来决定吸附原子在垂直于表面的方向上的排列情况。因此光电子发射谱是LEED以及在吸附物与其表面化学的研究中更通常可使用的电子谱的有力补充，特别是因为同步辐射可以提供高偏振、高强度的辐射，而它们的频率又被扩展到使发射的光电子具有最短的平均自由程，因而使光电子发射谱具有最大的表面灵敏度。

X射线感应萤光谱

在光电离以后发生的原子弛豫所发射出来的萤光也能被监察。在此情况下，可方便地安置一个X射线探测器来进行检测，而在安放时必须使由样品直接散射（康普顿散射）来的本底X射线弄得最小，因而可以获得较好的检测灵敏度。在说明该方法的一系列第一流的实验中，来自以Ctdlie Sparks为首的橡树岭国家实验室的研究小组最近表示X射线受激萤光谱可能成为痕量元素分析的极其有力工具。该研究组正在来自马达加斯加的云母样品中寻找存在于微观掺杂物中的超重元素。由质子感应萤光谱的研究已获得了下面试验性的证据，即属于高原子量“稳定岛”的元素（原子数为114到127的元素）是存在的。

橡树岭研究组通过特殊聚焦的石墨晶体单色仪把来自SPEAR存貯环的单色X射线束辐照在几个微米大小的云母掺杂物上。他们得到了优于在几个微米大小的范围内为10⁸原子数的痕量分析的新的灵敏度。采用可调X射线源的好处在于可以把来自像锑和钙那样痕量元素的萤光X射线与来自超重元素的X射线相区分开来，这是因为要使痕量元素的某适当的内壳层原子能级得到激发，必须要求有不同的X射线能量。根据入射X射线能量的调节，研究组确定了在质子感应萤光谱上看到的小的颠簸事实上并不是由超重元素所引起。这样，他们发现他们能检测到的痕量元素灵敏度比以前用质子感应萤光谱所能检测到的高一个数量级。而且能在样品的小的局部区域内检测痕量元素（这决定于射线束流的聚焦斑点的大小或它的准直性）。因此，采用存貯环源的X射线萤光谱已成为一种用于不均匀样品痕量元素分析的分析显微镜。应该注意，这种空间元素分析的概念就被哈佛实验室的Panl Horowitz所建立，当他在剑桥电子加速器中心以直径为几个微米的辐射斑点而构成扫描X射线显微镜时就提出了这个概念。

由于同步辐射是一种高稳定的、精确重复的，上升下降边缘陡峭的光脉冲，因此它可以允许以亚毫微秒的时间标度测量受激原子态的萤光寿命；并允许对激发能量处于紫外及软X射线区的状态进行研究。使用存貯环进行寿命测量的开创性工作首先由在法国巴黎ACO存貯环的Ian Munro及Ricardo Lopez-Delgado所完成。萤光寿命谱对研究大分子中萤光群的生物化学家来说特别感兴趣，因为它对测量巨分子中各种群之间的距离关系提供了“谱规则”。例如在含有两个色氨酸的蛋白质中，色氨酸萤光寿命能够成为色氨酸与色氨酸之间距离的一种度量。这是因为一个色氨酸能对另一个色氨酸提供无辐射的衰减路径，因此使寿命缩短，而该效应又依赖于它们间的距离。这样，可以通过对色氨酸萤光寿命变化情况的监察，研究溶液中大块蛋白质的结构随其周围化学或物理情况的改变而发生变化的情况。相似地，根据各个附着的群之间的距离关系，已共价地附着于蛋白质上的萤光群能被用来监察蛋白质的结构改变情况。作为“时间分辨”谱的另一个应用，来自加利福尼亚大学（贝克莱）及加利福尼亚中国湖海军实验室的研究小组已测定了像Xe₂那样的受激态分子的萤光寿命以及像氟化氙那样的受激态分子的光产生横截面，而这些受激态分子对激光系统的发展是感兴趣的。

到1984年及更远的未来

在未来的五年内，我们将可以更容易地去进行上面所描述过的那些实验以及许多使用同步辐射的其它实验。根据美国国家科学院1976年专门小组的介绍，国家科学基金会及能源部已开始执行一个计划，希望在1980年内能满足各个研究团体对同步辐射的需要。在美国，实现这个计划的三个主要途径是在斯坦福的被扩建的SSRL，在威斯康星大学的阿拉定环（上面二项都由国家科学基金会支持建造）及称之为国家同步加速器光源的在布罗克海文国家实验室的二个存貯环（由DOE投资建造）。这些存貯环与康奈尔大学及国家标准局的较小的存貯环一起，估计可提供约60个X射线波段的实验站及40个紫外与软X射线波段的实验站。用国家科学基金会的副主任George Pimentel的话来说，“当现行的建造阶段完成后，美国将在同步辐射领域内拥有世界上最强大的研究能力”。

与新机器的设计及建造一起，未来的同步辐射源的亮度（在单位立体角内流过的光子流密度）将变得更大。扭动磁铁的使用将是工艺上的一个重大进展，它可以增加在存貯环中被电子束发射的同步辐射的有效能量。扭动磁铁是一组交替地改变磁场极性的高场电磁铁，当电子通过它时，使电子轨道发生瞬时的但陡峭的畸变。它的净效应是使辐射谱的分布移向更高的能量，而不需要严格地改变存貯环的基本轨道的几何形状。

以上讨论的各点只要考虑SPEAR的情况就可以得到说明。例如，现在当存貯环以碰撞束流的方式工作在35亿电子伏特，20毫安束流的情况时，由SPEAR的X射线窗口可得到在10千电子伏特处每秒每电子伏特大约10¹²个光子数的光束。当SPEAR被用来产生同步辐射时，在同样的单色条件下可得到光子流密度大约高一到二个数量级的光束。（目前，SPEAR的运用情况主要根据高能物理的需要而决定，因此单独用于同步辐射研究的场合是有限的。但是到1979年底SLAC的新的正电子电子加速器正式运行后，可以期望SPEAR的50%运用场合将用来作同步辐射研究，还有其它50%可得到像现在那样的、在“共生”基础上产生的光子。）采用像称之为“螺旋”扭动器那样的更复杂的扭动磁铁原则上可以把光子流密度增加到每秒每电子伏特10¹⁷个光子数（至少对能量小于2千电子伏特的光子，可达到此光子流密度）。

关于电子束与扭动磁铁相互作用的其它发展是提供了产生激光作用的可能性。最近John Madey及其协作者在斯坦福使用一个螺旋扭动磁铁及一个被调谐的光共振腔作了红外光谱的实验，他的实验表明用电子束来抽运激光器是可能的（这种器件也称之为自由电子激光器），同时也说明至少到光频为止，存貯环能被用来提供非常高强度的光源。

这里最重要的是随着同步辐射源的实验能力的增加，随之而产生的新科学及新工艺。有些例子可以被用来作说明。一般来说，常规的EXAFS能够用来研究浓度等于或者超过10毫克分子浓度的元素。但是如果采用SPEAR或NSLS的增强的光子流作为光源，可以很容易地对浓度仅为亚毫克分子浓度的样品进行实验。如果对检测系统加以改进，使它能同时记录整个EXAFS谱，则就有可能在亚微秒时间标度内记录完整的EXAFS数据。单色仪工艺的新发展将允许EXAFS对吸收限处在3到0.5千电子伏特的元素进行研究。较高的辐射源强度也将使进行X射线弹性散射测量的能力得到增加。在亚微秒时间标度内记录下衍射图像或许成为非常容易的事情。由于辐射源具有较高的强度，因此有可能对较小的样品进行衍射测量。通过新的单色仪的使用而使分辨率得到提高，就有可能把目前的研究工作扩展到喇曼散射、康普顿散射以及其它非线性光学领域。

虽然更多的应用可以被描述，但是可以很清楚地看到，作为科学研究工具的同步辐射，我们感兴趣的是它的频谱延伸到许多电磁波谱范围以及它的实验技术横跨许多科学学科。

根据贝尔实验室的Peter Eisenberger，一位应用同步辐射X射线进行物质研究的先驱者的评论，我们能够盼望在1984年以后将会出现“一个华丽的光子科学的新世界”。

[本文选自《C&EN》（美）1978年8月21日。徐至中译谢希德校]