摘要：故事要从1895年讲起，德国科学家伦琴在一次阴极射线实验中，意外发现了一种能穿透物体并在荧光屏上产生影像的神秘射线。伦琴确认这是一种新的射线，并将其命名为X射线，以表示未知。

当你不幸摔断了手臂，去医院要做的第一步就是“拍个片子看看”。这里的“片子”，常常就是X光片，是指一种用X射线拍摄的医学影像。

X光片

（图片来源：veer图库）

历史的回响：X射线的发现

故事要从1895年讲起，德国科学家伦琴在一次阴极射线实验中，意外发现了一种能穿透物体并在荧光屏上产生影像的神秘射线。伦琴确认这是一种新的射线，并将其命名为X射线，以表示未知。

伦琴

（图片来源：VEER图库）

最初，伦琴使用的是真空放电管，这是一种利用高速电子撞击金属靶面产生X射线的电子器件。具体来说，X射线的产生是通过灯丝加热放出热电子，电子通过高压电场加速，加速后的电子撞击金属靶，撞击过程中，电子突然减速，其损失的动能会以光子形式放出，形成连续的X射线。

伦琴通过进一步实验发现，这种射线能穿透多种材料，并在1895年12月22日拍摄了历史上第一张X光照片——他妻子手部的照片，揭示了骨骼结构。

历史上第一张X光照片

（图片来源：wikidoc）

这一发现，如同一道闪电划破了科学的夜空，开启了人类透视物体内部结构的新纪元，伦琴也因此荣获了1901年的诺贝尔物理学奖。后来，随着人们对X射线的进一步研究，发现X射线具有很强的穿透能力，与物质相互作用，会发生干涉、衍射、反射、折射等现象，从而可以获得物质内部的结构等信息。

X射线成像正是基于X射线与物质相互作用的原理：当X射线穿过物体时，由于不同成分对X射线的吸收程度各异，导致射线强度发生不同程度的减弱。这种吸收差异被探测器捕捉并转换成电信号。

在医学成像中，通常使用X射线管产生X射线，射线穿过人体后，被探测器接收。探测器根据接收到的X射线强度差异，转换成相应的电信号，再由计算机处理生成具有不同灰度的图像。，形成人体内部结构的影像。在工业和材料科学中，X射线成像用于检测材料内部缺陷、分析晶体结构等。X射线成像技术因其高分辨率和无损检测能力等优势，逐渐发展成为现代医学和工业检测不可或缺的工具。

从“蜡烛”到“太阳”，同步辐射光源诞生！

如果说传统的X光管光源是微弱的蜡烛，那么同步辐射光源则如同光芒万丈的太阳。

随着科学的发展，人们对微观世界的探索不断深入，对X射线源的亮度和通量的追求也越来越高。从X射线管光源到同步辐射，X射线光源的发展历程是一个亮度逐步提高的过程。

传统的X射线成像技术主要依赖于样品对X射线的吸收来成像，它主要适用于强吸收的样品成像，比如骨骼、金属等，这限制了它在某些领域的应用。而基于同步辐射的X射线具有良好的相干性，可以实现相位衬度成像，它可以对生物软组织等弱吸收样品清晰成像。它以其高亮度、高通量和准相干等优点，让我们在探索微观世界的道路上走得更远、看得更清。

同步辐射光源与传统的X射线光源相比，其区别主要体现在以下几个方面：

1、产生原理：同步辐射光源是由接近光速运动的带电粒子在磁场中进行圆周运动时，沿切线方向产生的电磁波。而传统的X射线光源，如X射线管，通常是通过高能电子束轰击靶材产生X射线。

2、波长范围：同步辐射光源的波长覆盖范围比较宽，从远红外到硬X射线，甚至伽马射线，且波长是连续可调的。相比之下，传统X射线光源的波长范围较窄，通常固定在某些特定的能量级。

3、亮度和通量：同步辐射光源的亮度是传统X射线管光源的上亿倍，能够提供更高的时间分辨率和空间分辨率。

4、高准直、方向性强：同步辐射光的发散集中在以电子运动方向为中心的一个非常窄的圆锥内，张角极小，几乎是平行光。

5、时间结构：同步辐射光源中的电子在环形轨道上的分布是以团状的电子束进行回旋运动的，因此，同步辐射光呈现为具有时间结构的脉冲光，而传统X射线光源通常不具备这种时间结构。

6、洁净光源：同步辐射光源属于洁净光源，使用过程中不产生污染。

经历数次“进化”，上海光源终于建成

同步辐射光源经历了四次“进化”。

第一代同步辐射光源是“寄生”在粒子对撞机上的，比如北京光源；第二代同步辐射光源是专用同步辐射光源，比如合肥光源；第三代同步辐射光源大量使用了插入件，提高了同步辐射的性能，比如上海光源；而第四代同步辐射光源基于衍射极限储存环技术，电子束发射度比上一代降低1-2个数量级，接近甚至达到X射线的衍射极限发射度，平均亮度更高。比如正在建设中的高能同步辐射光源和合肥先进光源。

上海光源作为第三代同步辐射光源，与前两代的主要区别在于其低发射度和大量采用插入件的设计。上海光源把电子束流的能量提高到了3.5GeV，而发射度则降低到了4 nm•rad，远远低于第二代光源。这使得上海光源在亮度和光源品质上有了显著提升。上海光源的建成标志着中国大陆拥有了中能第三代同步辐射光源，它在许多重要方面位于世界上正在设计、建造、运行中的光源的前列，总体性能达到了同类装置的国际先进水平。

应用领域广泛，带来更多福音

上海光源，作为国际先进的同步辐射光源之一，为科学家们提供了一个前所未有的研究平台。

基于同步辐射的X射线相干性，科学家们实现了相位衬度成像技术。

X射线相位衬度成像，主要是利用X射线穿过样品后产生的相位变化来对物体进行成像。X射线相位衬度成像的基本原理涉及到X射线与物质的相互作用，可以用复折射率来表示，即n=1−δ+iβ，其中 β为吸收因子，δ为相位因子，它们分别表征了X射线透过物体之后的振幅和相位变化。对于轻元素组成的物质，X射线相位的变化量是吸收变化量的一千甚至上万倍，这种技术与传统的X射线吸收成像相比，能够为轻元素样品提供更高的衬度。这项技术能够对生物软组织等弱吸收样品进行清晰成像，为医学诊断带来革命性的变化。

图片说明：相衬成像和传统吸收成像对比

（图片来源：上海光源成像线站）

肺部疾病往往因为诊断不及时而错过最佳治疗时机。传统的X射线成像技术对于肺部这种弱吸收组织的成像效果不佳。而同步辐射相衬成像技术能够提供更高空间分辨和更高清晰度的图像，甚至可以让我们看清每个肺泡，从而有望实现肺部疾病的早期诊断。

小鼠肺的同步辐射X射线成像

（图片来源：上海光源成像线站）

高血压等心血管疾病是威胁人类健康的“隐形杀手”。通过同步辐射X射线成像技术，我们可以清晰地观察到高血压老鼠脑血管的变形情况，为心血管疾病的研究提供了重要的可视化手段。

高血压老鼠脑血管的变形情况

（图片来源：上海光源成像线站）

同时，这项技术还可以帮助我们评估肝纤维化程度和治疗效果，为肝病的诊断和治疗提供有力支持。

不同肝纤维化阶段大鼠血管结构的三维观察

（图片来源：上海光源成像线站）

在药物研究领域，上海光源X射线成像技术同样发挥着重要作用。它让我们能够观察到药剂内部的三维结构，从而深入理解药物的释放机制。这一技术为高端药剂的设计和创新提供了重要的科学指导，让我们从“知其然”迈向“知其所以然”。

除了医学和工业应用外，上海光源X射线成像技术还在植物学、动物学等领域发挥着重要作用。它让我们能够观察到植物细胞的内部结构、动物骨骼的微观特征等，为生命科学的研究打开了新的窗口。

结语

上海光源X射线成像技术如同一双透视眼，让我们能够窥视生命的奥秘、探索微观世界的奇妙。随着科技的不断发展，这项技术将在更多领域发挥重要作用，为人类社会的进步贡献更多力量。让我们期待它在未来创造更多的奇迹！

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出品：科普中国

作者：薛艳玲（中国科学院上海高等研究院研究员）

监制：中国科普博览

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来源：老孙的科学大讲堂