我国迄今最大的重大科学工程上海同步辐射光源

1、我国迄今最大的重大科学工程 上海同步辐射光源简介我国迄今最大的重大科学工程-上海同步辐射光源(以下简称上海光源)于2010年1月19日在上海通过国家验收。此举标志着中国这一性能指标达到世界一流的中能第三代同步辐射光源，正式对科研用户开放。上海同步辐射光源2004年12月25日破土开工，由中国科学院与上海市人民政府共同向国家申请建造，由中国科学院上海应用物理研究所承建，总投资约12亿元，我国迄今最大的大科学装置上海同步辐射光源。在我国，第一代同步辐射光源是北京光源，第二代光源是合肥国家同步辐射实验室，第三代光源就是上海光源。上海光源发出的超强X光将对微观世界的认知带来一场成像革命-它将利用比普通

2、X光机亮上亿倍、强百万倍的同步辐射光对物质进行微观成像。接近光速运动的电子在磁场中作曲线运动改变运动方向时所产生的电磁辐射，也就是同步辐射光源。从上世纪70年代起，全球建成和在建的同步辐射光源装置已有60余座。在国际上已经建成的20台第三代同步辐射光源中，上海光源的能量居世界第四，仅次于日本、美国、欧洲的有关设施。它还将与我国台湾地区以及日本、韩国、印度的第三代同步辐射光源一起，形成堪与美欧媲美的亚洲光源群。与第二代合肥同步辐射光源相比，第三代上海光源其电子束发射度约4纳米弧度，二者相差近40倍，其得到的光亮度相差约1600倍(约三个量级)。上海光源拥有的高强度、高亮度、高稳定性等特性，可用以

3、从事生命科学、材料科学、环境科学、医学、药学等多学科的前沿基础研究，以及微电子、石油、医疗诊断等高技术的开发应用的实验研究。以生命科学为例，生命科学已进入了后基因组时代，蛋白质科学已成为各发达国家竞相抢占的制高点。而以蛋白质结构和功能研究为主要目标的结构基因组学研究80%以上的工作需要在第三代同步辐射光源上进行。开放共享是大科学装置的显著特点。上海光源具有建设60多条光束线的能力，届时可以同时向上百个实验站提供从红外光到硬X射线的各种同步辐射光，给用户的供光机时将超过5000小时/年。目前，首批7条光束线与实验站全部完成安装和调试，所有60多条光束线计划在未来15年内完成安装调试。上海光源已收

4、到全国78所大学的301份使用申请，共计2868个机时段23000个小时。如此大规模的申请，恐怕将上海光源明年的机时量排进去都不够。光源简介人类文明史是利用和开发光资源的历史人类生存和发展从来就离不开对光的利用和开发，人类的文明史是一部利用和开发光资源的历史。光是一个很大的家族，其中可见光只是光家族中的一员。光可依其波长不同，分为无线电波、微波、红外、可见光、紫外、真空紫外、软X射线、硬X射线和伽马()射线等。光的波长或能量决定了它与物质的相互作用类型，如可见光照射人体时，会被反射到我们的眼睛，并被视网膜/视神经所感觉而看到人体；而当X射线光照射人体时，则会穿透过人体，并在X光底片上留下透过程

5、度的影像纪录，医院里给病人做X光透视就是这样。光波具有衍射现象，用光探测物体或分辨两物体时，光的波长应当与物体的大小或两物体的间距相近或更短。因此，天文学家要探测宇宙星球，可以选用无线电波；航空管理者要跟踪飞机，可以选用微波(雷达)。而科学家要研究比可见光波长更短的物体，要看清病毒、蛋白质分子甚至金属原子等微观物体，必须选用与这些微观物体大小相近或更短的波长的光束，来照射微观物体，利用光束在物质中的衍射、折射、散射等能够检测到的特性，或者利用光束与物体相互作用产生的光激发、光吸收、荧光、光电子发射等特性，来探究未知的微观世界。新人工光源带来人类文明的新进步光是由光源产生的，如太阳、蜡烛和电灯。

6、其中太阳是天然光源，蜡烛和电灯是人工光源。由于可利用的天然光源所产生的光仅占整个光家族的很小部分，所以人类一直在努力开发和利用各种各样的人工光源。任何一种新人工光源的发明和利用，都标志着人类文明新的进步，如伦琴发明的X射线、爱迪生发明的电灯、二次大战中发明的微波、20世纪60年代发明的激光等，都是人工光源发展史上的重大里程碑，它们都极大地促进了人类文明的进步。20世纪60年代末出现的同步辐射光源，是被誉为神奇的光的又一种人工光源，它在基础科学研究和高技术产业开发应用研究中都有广泛的用途。同步辐射光源的发展历史同步辐射，是由以接近光速运动的电子在磁场中作曲线运动改变运动方向时所产生的电磁辐射，其

7、本质与我们日常接触的可见光和X光一样，都是电磁辐射。由于这种辐射是1947年在同步加速器上被发现的，因而被命名为同步辐射(Synchrotron radiation)。由于同步辐射造成的能量损失极大地阻碍了高能加速器能量的提高，因此在早期同步辐射被作为高能物理极力要排除的因素。后来，人们发现同步辐射具有常规光源不可比拟的优良性能，如高准直性，高极化性，高相干性，宽的频谱范围、高光谱亮度和高光子通量等。从上世纪70年代开始，发达国家逐步开展了同步辐射的应用研究，其卓越的性能为人们开展科学研究和应用研究带来了广阔的前景，因此在几乎所有的高能电子加速器上都建造了同步辐射线站，以及各种应用同步辐射光的

8、实验装置。同步辐射光源自1947年诞生以来，至今已有60余年的历史。随着应用研究工作不断深入，应用范围不断拓展，同步辐射光源经历了三代快速历史发展阶段。第一代同步辐射光源是寄生于高能物理实验专用的高能对撞机的兼用机，如北京光源(BSR)就是寄生于北京正负电子对撞机(BEPC)的典型第一代同步辐射光源；第二代同步辐射光源是基于同步辐射专用储存环的专用机，如合肥国家同步辐射实验室(HLS)；第三代同步辐射光源是基于性能更高的同步辐射专用储存环的专用机，如上海光源(SSRF)。第一代、第二代、第三代同步辐射光源之间的最主要区别，是在于作为发光光源的电子束斑尺寸或电子发射度的迥异。例如第二代的合肥同步

9、辐射光源，其电子束发射度约150纳米弧度，而第三代的上海光源，其电子束发射度约4纳米弧度，二者相差近40倍，其得到的光亮度相差约1600倍，约三个量级。同步辐射光的特性宽波段：同步辐射光的波长覆盖面大，具有从远红外、可见光、紫外直到X射线范围内的连续光谱，并且能根据使用者的需要获得特定波长的光。高准直：同步辐射光的发射集中在以电子运动方向为中心的一个很窄的圆锥内，张角非常小，几乎是平行光束，堪与激光媲美。高偏振：从偏转磁铁引出的同步辐射光在电子轨道平面上是完全的线偏振光，此外，可以从特殊设计的插入件得到任意偏振状态的光。高纯净：同步辐射光是在超高真空中产生的，不存在任何由杂质带来的污染，是非常

10、纯净的光。高亮度：同步辐射光源是高强度光源，有很高的辐射功率和功率密度，第三代同步辐射光源的X射线亮度是X光机的上千亿倍。窄脉冲：同步辐射光是脉冲光，有优良的脉冲时间结构，其宽度在10-1110-8秒(几十皮秒至几十纳秒)之间可调，脉冲之间的间隔为几十纳秒至微秒量级，这种特性对变化过程的研究非常有用，如化学反应过程、生命过程、材料结构变化过程和环境污染微观过程等。可精确预知：同步辐射光的光子通量、角分布和能谱等均可精确计算，因此它可以作为辐射计量-特别是真空紫外到X射线波段计量-的标准光源。此外，同步辐射光还具有高度稳定性、高通量、微束径、准相干等独特而优异的性能。先进的第三代同步辐射光源上海

11、同步辐射装置(S hanghai Synchrotron Radiation Facility，简称S SRF)，是一台世界先进的中能第三代同步辐射光源，总投资计划12亿人民币。上海同步辐射装置的电子储存环电子束能量为3.5GeV(35亿电子伏特)，仅次于世界上仅有的四台高能光源(美、日、欧台湾各一台)，居世界第五，超过其它所有的中能光源；X射线的亮度和通量被优化在用户最多的区域。上海同步辐射装置是国家级大科学装置和多学科的实验平台，由全能量注入器、电子储存环、光束线和实验站组成。全能量注入器提供电子束并使其加速到所需能量，电子储存环储存电子束并提供同步辐射光，光束线对引出的同步辐射光进行传输

12、、加工，提供给实验站上的用户使用。(一)提供电子束的全能量注入器全能量注入器包括电子直线加速器、增强器和注入/引出系统，其作用是向电子储存环提供所需的电子束。电子枪产生的能量为10万电子伏特的电子束，先被约40米长的电子直线加速器加速到3亿电子伏特能量，然后被注入到周长约158米的增强器中，由增强器继续加速到35亿电子伏特，再经过注入/引出系统注入到电子储存环。这种把电子束加速到了电子储存环运行能量的注入器叫全能量注入器。整个注入过程必须通过一套专门设计的时序控制系统来精确指挥。(二)产生同步辐射光的电子储存环电子储存环是一个周长为396米的闭合环形高科技装置，相当于一个学校400米环形跑道的

13、操场，用来储存35亿电子伏特高能电子束。电子储存环是同步辐射光源的主体与核心，其性能直接决定了同步辐射光源性能的优劣。它由真空度为10-9乇的超高真空室、高精度磁铁系统、高频加速腔、高灵敏的束流探测仪器和控制系统等组成。高精度磁铁系统是储存环的主要部件，包括40台二极偏转磁铁、200台四极聚焦磁铁和140台六极色品磁铁。根据设计要求，这些磁铁按特定顺序沿环排列，形成一个呈20周期的消色散磁聚焦结构，每周期含有一段7米或5米长的直线段。为保证向用户提供在空间位置上高度稳定的同步辐射光，电子束轨道的稳定需要被控制在微米量级。(三)光束线-桥梁光束线沿着电子储存环的外侧分布，它是用户实验站与电子储存

14、环之间的桥梁，对从电子储存环引出的同步辐射光，按用户要求进行再加工，如分光、准直、聚焦等，并输送到用户实验站。它包括安装在真空管道内的一系列精密光学系统，涉及的主要光学元件有准直狭缝、聚焦镜、单色仪(光栅或晶体)和反射镜等，这些特殊的现代光学器件对材料、工艺、精度、控制和冷却等都有十分苛刻的要求。此外它还有快速真空阀和辐射防护闸以实施真空和辐射安全的连锁保护。(四)探索自然奥秘的实验站实验站是科学家和工程师利用同步辐射光揭开科学秘密、开发高新技术产品的综合科技平台。在这里同步辐射光被照射到各种各样的实验样品上，同时科学仪器纪录下实验样品的各种反应信息或变化，经高速计算机处理后变成一系列反映自然

15、奥秘的曲线或图像。将落户张江高科技园区1999年7月上海同步辐射装置工程领导小组审议并批准上海同步辐射装置落户上海浦东新区的张江高科技园区，占地300亩。地铁2号线将它与陆家嘴金融贸易区、市中心南京路步行街等直接相连，行程1520分钟。由此，上海可望在21世纪成为全国乃至世界的多学科前沿研究中心。国家科技领导小组已于1997年6月批准上海同步辐射装置先进行工程预制研究，以掌握建设上海同步辐射装置的关键技术，形成骨干科技队伍。在国家计委和上海市人民政府的共同支持下，工程预制研究自1999年起，由工程指挥部在中国科学院上海原子核研究所组织实施。目前已完成41项涉及上海同步辐射装置大部分重大关键技术

16、非标设备的研制，其中26项达到国际上第三代同步辐射光源同类设备的先进水平，并于2001年3月通过了由中国科学院基础科学局和上海市计委共同主持、主要由两院院士组成的专家组的鉴定。与此同时，还完成了上海同步辐射装置工程初步设计，形成了一支专业配套、结构合理的设计、建设和研发骨干科技队伍。上海同步辐射光源的特性上海同步辐射装置除了具有第三代同步辐射光源共同的特性之外，还具有：(1)高效性：总共将建设近50条光束线和上百个实验站，所有这些实验站都是为准确探测同步辐射光与实验样品的各种相互作用而精心设计的。首批拟建的7条光束线、实验站和4个后备实验站已于1999年底通过了国内外的专家评审，它们是：硬X射

17、线生物大分子晶体学、硬X射线吸收精细结构(X AFS)、硬X射线高分辨衍射与散射、硬X射线微聚焦及应用、医学应用、软X射线相干显微学、L IGA及光刻，以及红外等后备实验站。上海同步辐射装置将陆续向广大用户提供扫描光电子能谱、扫描透射X射线显微、X射线荧光显微、X射线非弹性散射等实验站。向用户的供光机时将超过5000小时/年，每天可容纳几百名来自海内外不同学科领域或公司企业的科学家/工程师，日以继夜地在各自的实验站上同时使用同步辐射光。(2)灵活性：上海同步辐射装置可运行于单束团、多束团、高通量、高亮度和窄脉冲等多种模式，可依据用户需求快速变换运行模式，以满足用户的多种需求。(3)前瞻性：上海

18、同步辐射装置的科学寿命至少30年，电子直线加速器同时用于发展深紫外区高增益自由电子激光。广阔的应用前景利用上海同步辐射装置的高亮度、短波长的同步辐射光在空间分辨上的优势，将可以进行许多前沿学科的探索。生物学家依托同步辐射光，能获得生物大分子的三维结构，进而研究其结构与功能之间的关系；而通过对病毒外壳蛋白、癌症基因及其表达物等病原三维结构的详细了解，有望设计出能与该病原特异结合的药物小分子，以阻断病原对细胞的感染，或抑制其致病的功能，这就是基于分子结构的药物设计新概念。材料科学家利用同步辐射光，可以清楚地揭示出材料中原子的精确构造和有价值的电磁结构参数等信息，它们既是理解材料性能的钥匙，也是设计

19、新颖材料的原理来源，所以材料科学家和他们所服务的企业成了第三代同步辐射光源的大用户。利用上海同步辐射装置的高亮度、窄脉冲的同步辐射光在时间分辨上的优势，将可以实现在分子水平上直接观察生命现象和物质运动过程。对于生命科学来说，静态地了解生物大分子或生物体的结构只是第一层次的研究，生物大分子或生物体结构变化的实时观察则是更高层次的研究。上海同步辐射装置为这一类动态过程的研究开启了大门，预计在不远的将来，人们将有可能像看电影那样直接观察生物大分子之间相互作用的精细过程，生命科学的研究将进入一个崭新的天地。对于材料科学来说，上海同步辐射装置将可以使我国材料科学家获得发生在原子水平的材料形成过程的动态图

20、像，这些过程包括生长机制、相变过程、固态作用、裂缝扩散、高分子聚合物硬变、交界面过程和其他与时间相关的过程，它们是发明优秀新材料不可或缺的源头信息。而对于作为同步辐射光源的基本用户的化学科学来说，上海同步辐射装置将是我国化学科学跻身世界前列的必不可少的现代工具，将使我国化学科学家可以直接观测小至1立方微米的化学样品在化学反应期间原子的重新排列和位置，跟踪发生在快于10-9秒(十亿分之一秒)的化学过程，在最基础的水平上掌握形成新化学产品的整个过程。利用上海同步辐射装置的高亮度、能量可选的同步辐射光，将大大提高对生命体内结构与形态的观察精度。通过同步辐射X光显微成像和断层扫描成像技术能够直接获取活细胞结构图像。基于上海同步辐射装置强度高、能量可选的X射线，发展起来的双色减影心血管造影新技术，可以为心血管病的早期诊