电磁 (EM) 辐射非常有用。它使我们能够远距离无线传输音乐，在微波炉中烹饪食物并以生动的细节观察世界。然而，现在比以往任何时候都更重要的是，电磁辐射在研究为人类带来真正突破的物理、环境和生物现象方面也至关重要。
从创造新的医疗药物和疫苗，到革命性人造器官的测试，再到可以预防疾病的发现，大规模利用电磁辐射正在扩大科学界的视野。
在英国，这场革命正在牛津郡的钻石光源 (Diamond Light Source) 国家同步加速器设施中发生，这是一种高科技粒子加速器，以同步加速器光的形式产生大量电磁辐射。让我们前往这个尖端科学站点，看看那里平均每天的工作情况以及目前正在研究哪些开创性的实验。
探索同步加速器
同步加速器是一个庞大而复杂的机器系统，它产生电子，将这些电子加速到接近光速，然后将它们存放在一个大的存储环中。高能电子然后连续围绕环形电路飞行，直到它们被操纵以产生非常高强度的 X 射线光;这些是具有大约 3 吉电子伏特 (GeV) 的电子，GeV 是一个能量单位，等于 10 亿电子伏特。这是科学家可以在他们的实验中使用的光。
冈瑟·雷姆 (Guenther Rehm) 是钻石同步加速器光束诊断小组的负责人，该小组负责确保来访的科学家需要X射线光线时能够得到它。雷姆位于 Diamond House 的办公室是一个时尚的玻璃墙综合体，该设施的大多数员工都在这里办公。要到达同步加速器设施，您必须通过一座安全控制的桥梁。
到达那里后，您会看到四个主要部分，其中第一个是电子枪。这把枪位于设施的中心，负责通过在真空中加热高压阴极来产生电子，然后迫使它们聚集在一起并压缩成紧凑的组;这是通过使电子束穿过一个有交流电场的腔体来实现的。
从聚束腔，一束压缩的电子束进入直线加速器。同步加速器的这部分使用一系列电场来迫使压缩的电子束加速到接近光速和高达 100 兆电子伏 (MeV) 的电荷水平。从这里，加速的电子束被注入助推器同步加速器。
同步加速器的六极磁铁之一。这些负责消色差校正和维护设施存储环内稳定的电子轨道(图片来源：钻石光源)
助推器同步加速器位于直线加速器旁边。它是一个 518 英尺(158 米)的 O 形不锈钢真空管，周围环绕着磁铁，位于同步加速器的存储环和其他设施内。这个较小的同步加速器接收电子，然后 - 在 36 个偶极磁铁的帮助下 - 在真空电路周围弯曲它们，同时将它们进一步加速到必要的 3 GeV 提取能量。电子束几乎以光速行进并携带着大量的能量，最后被注入同步加速器的存储环。
存储环在构造和用途上都与增强环相似，但规模要大得多：该环是一个 48 边的多边形，跨度超过 1,800 英尺(560 m)。幸运的是，电子拥有如此巨大的能量，它们可以在百万分之二秒内完成整个过程。相比之下，这是在短短 1 秒内绕地球赤道的 7.5 倍。为了让物体保持运动，巨大的环由带电电子在其中移动的真空和一系列磁铁组成，包括偶极弯曲磁铁以在电路周围操纵光束，四极磁铁和六极磁铁以确保准确的光束聚焦和位置.该环还装有称为插入装置 (ID) 的特殊磁铁，用于操纵电子以产生同步加速器光。
钻石光源插入装置的特写(图片来源：钻石光源)
ID是同步加速器的真正明星，能够让通过的电子在环的直线部分左右振荡。因此，产生了超级强大的X射线。由于这些ID是如此的关键，它们总是被放置在任何光束线的前面--从环的分支处进行实验。电子进入该装置，振荡并产生X射线。当电子被偶极子磁铁甩到更远的存储环上时，光子则继续沿着光束线直接用于实验中。
保持控制
接下来，您将到达光束线中央控制室。这是一个宽敞的大房间，可以俯瞰约三分之一的扩建设施，该区域布满了主要的显示器;在那里，诊断小组的两名成员负责管理计算机系统。雷姆解释说，同步加速器的日常操作是高度自动化的，因此人员配备很少。然而，由于创建和维护高能电子束所涉及的系统令人难以置信的复杂性，实际的人必须监测该综合体的状态。
在任何时候，一个名为 EPICS(实验物理和工业控制系统的软件程序)都会监控存储环中的光束。这允许通过环内的各种传感器、监视器和摄像机可视化不可见光束的特性。
雷姆证明，在刚刚超过10分钟的时间里，存储环中的成束电子不可避免地遭受损失。这是由于碰撞和残留的气体分子，以及通过插入装置产生的同步辐射光和偶极子磁体的弯曲造成的能量损失。为了保持最佳的光束稳定性和同步辐射光质量，电荷被定期自动提升。观察EPICS中的实时图表，您可以看到整体电荷量在环内如何下降，然后在10分钟后精确地恢复到开始的水平。
雷姆说，这种提升不仅是自动的，而且该系统实际上可以瞄准电子已经丢失的光束部分;这使得光环周围的能量分布均匀、稳定，可以随时产生光。这个系统确实很神奇，能够在电子束以近乎光速绕着存储环飞行时，平稳地将额外的电子注入已耗尽的电子束。
钻石光源设施的内部视图。右侧中间可见的黄线标志着电子束在存储环内的路径。(图片来源：钻石光源)
从光束线往下看 移到设施的中心，您会进入同步加速器的空洞主室。当您站在一个高架龙门桥上，向两边延伸时，您会看到弧形的广阔空间和同步辐射器的许多单独的光束线，从一个混凝土环中分支出来。这是该设施的存储环，它被包裹在厚厚的、阻挡辐射的混凝土屏蔽层中。在混凝土环的顶部有一条黄线，标识着里面电子束的实际路径。据该设施的一名导游说，一个人可以在混凝土顶上躺上一整年，收到的辐射量只比标准背景辐射量增加约50%。简单地说，很少有辐射能逃出这个环。
夹在两条光束线之间的是一个小的、黑色的房间。进入后，您会发现一张大桌子上塞满了机器、管道、光学器件和电缆。在这后面，墙壁上开了一个小洞。这是光学诊断舱，它允许支持科学家探索存储电子束的时间结构，揭示其填充模式--每个电子束中有多少电荷。
来自小分子单晶衍射光束线(I12)的一个实验小屋。（图片来源：钻石光源)
处理光线 知道同步辐射的工作原理是一回事，但它在现实世界中能做什么?尼克-泰瑞尔是小角度散射和衍射光束线(也称为I22)的主要光束线科学家。在许多其他例子中，Terrill描述了一个团队最近如何使用I22来测试新的聚合物材料人工心脏瓣膜。该团队建造了一个微小的装置来拉伸瓣膜，以重现心跳的效果，然后使用同步加速器的高能X射线光源对聚合物瓣膜的内部结构进行长期连续的分辨率成像。这类聚合物瓣膜将很快成为有问题的机械和动物植入瓣膜的常见替代品。
在同步加速器的外侧走道上走了一小段路后，来到I24光束线，您会遇到微焦大分子晶体学站。I24站的工作人员是Diamond公司的高级支持科学家Danny Axford，他解释了该团队如何研究膜蛋白，探索它们的结构--这对创造新药物以及其他应用非常重要。
在I24的实验室内，您会看到液氮储存罐、成像传感器、机械臂、同步辐射光聚焦光学装置和一个样品阵列。有了这个阵列，科学家可以在室温下对一排排的晶体进行成像。这非常有用，因为成像过程中的热量会破坏晶体，所以迅速捕捉它们的结构至关重要--这就是为什么许多样品是低温冷却的。
下一个港口是小分子单晶衍射光束线(I19)，这里正在通过衍射技术分析各种结晶样品，样品涉及从癌症到储氢的各种项目。隔壁的I20是一个令人印象深刻的多功能X射线吸收光谱光束线，由光束线首席科学家Sofia Diaz-Moreno负责。
这条光束线比其他任何一条都要大得多，它有两个实验棚，可以共用这条线路，以便进行不同类型的光谱分析。这种类型的分析可以对催化剂中的化学成分进行成像--即使是在非常低的浓度下。这种在原子水平和微秒级时间尺度上对反应过程进行成像的能力确实令人震惊，它使科学家能够以前所未有的方式了解催化剂、金属蛋白--含有金属离子的蛋白质--和有毒材料等事物。
与电子束赛跑 还有最后一站：在存储环的屋顶上漫步。从光束线层回升到一楼，穿过金属龙门向设施中心走去，您将断开并直接踩在储存环的混凝土屋顶上，然后沿着黄色光束线标记绕过设施。
绕环一圈需要近10分钟--比起超电荷电子在环上呼啸所需的两百万分之一秒要慢得多。
