10月23日，科研人員走在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室里。從2010年8月起，國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室開始新一輪重大升級(jí)改造，改造后合肥光源整體性能將提高近50倍。整體改造項(xiàng)目目前進(jìn)展順利，將于年底全面完工。合肥光源是第三代同步輻射光源之一，同步輻射光源被稱為繼電光源、X光源和激光光源之后，第四次為人類文明帶來革命性推動(dòng)的新光源。

　　同步輻射是速度接近光速的帶電粒子在作曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)沿軌道切線方向發(fā)出的電磁輻射，又叫同步光。它會(huì)使粒子失去能量，曾給盧瑟福的類太陽系原子結(jié)構(gòu)模型帶來困難。1947年，它在電子同步加速器中被首次觀察到，因而被命名為同步加速器輻射，簡稱同步輻射。

　　與常規(guī)的光源相比，同步輻射有許多突出的優(yōu)點(diǎn)。它的頻譜寬闊、連續(xù)、平滑（從X射線、紫外、可見光一直延伸到紅外），利用單色器可從中選取所需的任何波長的光；它有很好的方向性，光能集中，亮度比普通光源高千倍至百萬倍以上；同時(shí)它還具有偏振性、脈沖性時(shí)間結(jié)構(gòu)、高穩(wěn)定性、高真空的潔凈環(huán)境、頻譜可準(zhǔn)確計(jì)算等優(yōu)異特性。光是人類認(rèn)識(shí)自然的最基本的工具，同步輻射是唯一的頻譜范圍如此寬闊的優(yōu)質(zhì)光源，被廣泛應(yīng)用于凝聚態(tài)物理學(xué)、原子和分子物理學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、能源科學(xué)、信息科學(xué)技術(shù)、超細(xì)微加工和輻射計(jì)量學(xué)等眾多領(lǐng)域，幾十年來碩果累累。正因?yàn)槿绱耍捷椛涔庠词悄壳笆澜缟蠑?shù)量最多的大科學(xué)裝置，它作為多學(xué)科公用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在現(xiàn)代科技發(fā)展中的重要地位為科學(xué)界所公認(rèn)。

　　同步輻射的應(yīng)用研究始于20世紀(jì)60年代，此后經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展階段，因此現(xiàn)有同步輻射裝置習(xí)慣上按主要特征分為3類：以高能物理實(shí)驗(yàn)為主的兼用光源稱為第一代光源；以利用彎轉(zhuǎn)磁鐵產(chǎn)生的同步輻射為主的專用光源為第二代光源；主要利用插入元件、尤其波蕩器產(chǎn)生輻射的高亮度光源為第三代光源。按光子能量分類則可分為X射線光源和真空紫外（指紫外線高能波段）光源兩種，后者的頻譜包含軟X射線。不同類別的光源各有特色，互為補(bǔ)充，相得益彰，恰當(dāng)?shù)呐浜峡墒蛊淠芰Φ玫阶罡咝У陌l(fā)揮。

　　同步輻射通過光束線從儲(chǔ)存環(huán)中導(dǎo)出，然后憑借精密的光學(xué)元件選取合適的波長和帶寬并適當(dāng)聚焦后送入實(shí)驗(yàn)站。科研人員在實(shí)驗(yàn)站測量同步輻射與樣品相互作用后的信號(hào)（如反射、衍射、散射、透射光譜或樣品原子被光子激發(fā)后釋放的電子、離子、熒光等）來研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特性，探索微觀世界的奧秘。

1、裝置概況

　　20世紀(jì)70年代末，中國科技大學(xué)率先提出在國內(nèi)建設(shè)電子同步輻射加速器的建議。1983年4月，作為第一個(gè)由國家全額投資興建并維持運(yùn)行的國家級(jí)實(shí)驗(yàn)室，中國科技大學(xué)國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室由原國家計(jì)委批準(zhǔn)立項(xiàng)。實(shí)驗(yàn)室建設(shè)工程總投資8 040萬元人民幣，1984年11月動(dòng)工，1989年出光，1991年12月通過國家驗(yàn)收。相應(yīng)的同步輻射裝置稱為合肥光源，當(dāng)時(shí)建有5條光束線和實(shí)驗(yàn)站，屬于第二代真空紫外光源。

　　合肥光源電子束由電子槍產(chǎn)生，經(jīng)直線加速器加速達(dá)到200MeV，再通過束流輸運(yùn)管道進(jìn)入儲(chǔ)存環(huán)。儲(chǔ)存環(huán)周長66.13m，由許多彎轉(zhuǎn)磁鐵和直線段組成。電子在儲(chǔ)存環(huán)中被再次加速到800MeV后作穩(wěn)定的回旋運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在彎轉(zhuǎn)磁鐵中發(fā)出特征波長約為2.4nm（屬于軟X射線）的同步輻射。

　　1997年，原國家計(jì)委批準(zhǔn)“國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室二期工程”立項(xiàng)，總投資1.18億元人民幣，在原有裝置的基礎(chǔ)上改造了加速器的主要系統(tǒng)，以保證光源的長期、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，并新建1臺(tái)波蕩器、增建8條光束線及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)站。二期工程是“九五”期間啟動(dòng)的國家大科學(xué)工程之一，于1999年5月正式開工建設(shè)，2004年12月通過國家驗(yàn)收。二期工程的勝利完成使合肥光源的運(yùn)行和實(shí)驗(yàn)研究水平上了一個(gè)新臺(tái)階。

　　目前同步輻射實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行情況良好，有14個(gè)實(shí)驗(yàn)站（其中5條光束線來自插入元件，即國內(nèi)第一臺(tái)強(qiáng)磁場超導(dǎo)扭擺器和國內(nèi)第一臺(tái)提供高亮度輻射的多周期波蕩器），主要應(yīng)用在軟X射線和真空紫外波段，有少量線站使用了硬X射線和紅外波段。

　　2、重點(diǎn)研究領(lǐng)域

　　國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室的科研目標(biāo)以真空紫外和軟X射線波段的同步輻射應(yīng)用為主，重點(diǎn)研究領(lǐng)域包括：

　　化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)：研究大氣污染與治理，燃燒過程及節(jié)能減排的改進(jìn)方向，臭氧層破壞機(jī)理，各種化學(xué)反應(yīng)中在分子水平上的化學(xué)鍵斷裂與重排等現(xiàn)象，等離子體化學(xué)和復(fù)雜體系分析化學(xué)等。

　　納米科技：納米材料的表征，以毫秒時(shí)間分辨量級(jí)的同步輻射新技術(shù)對(duì)納米物質(zhì)的生長過程進(jìn)行原位實(shí)時(shí)的動(dòng)力學(xué)研究，了解其形成機(jī)理，實(shí)現(xiàn)對(duì)納米材料的結(jié)構(gòu)、形貌、尺寸及性能的調(diào)控。

       生命科學(xué)：以軟X射線成像（如活體生物樣品的二維或三維高分辨顯微成像）、真空紫外光譜等為手段，在細(xì)胞、亞細(xì)胞水平上研究細(xì)胞病變發(fā)生、發(fā)展的結(jié)構(gòu)形態(tài)變化；原位實(shí)時(shí)研究細(xì)胞和蛋白質(zhì)復(fù)合物在生命活動(dòng)中的變化規(guī)律，蛋白質(zhì)的生物功能和相互作用的動(dòng)力學(xué)過程，蛋白質(zhì)復(fù)合體結(jié)構(gòu)變異、損傷與復(fù)活的機(jī)制；分析研究藥物分子、天然生物等復(fù)雜體系及它們的相互作用。這些研究將為了解重大疾病致病機(jī)理、早期診斷和治療機(jī)理提供重要信息，為新藥的篩選與開發(fā)提供新的手段。

　　強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系：在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上歸納電荷？螄自旋？螄晶格？螄軌道相互作用的一般規(guī)律，解讀凝聚態(tài)物理中若干與強(qiáng)關(guān)聯(lián)現(xiàn)象有關(guān)的核心問題，如高溫超導(dǎo)機(jī)理、金屬？螄絕緣體相變機(jī)理、納米結(jié)構(gòu)中的自旋相互作用、磁性半導(dǎo)體中的自旋注入、多鐵性材料中的自旋？螄電荷耦合機(jī)制、量子臨界效應(yīng)等。

　　催化反應(yīng)機(jī)理：原位實(shí)時(shí)研究若干與能源和環(huán)境相關(guān)的催化體系，為開發(fā)新型高效的工業(yè)催化劑提供理論指導(dǎo)。

　　表面和界面科學(xué)：研究有機(jī)和無機(jī)復(fù)雜體系的表面和界面的相互作用過程，如納米體系和蛋白質(zhì)的相互作用、燃料電池的界面研究等。

　　材料科學(xué)：組合材料制備方法、先進(jìn)薄膜（稀磁半導(dǎo)體、多鐵性材料、低維或量子點(diǎn)材料等）制備及結(jié)構(gòu)性能研究。

　　3、 研究成果和發(fā)展規(guī)劃

　　自合肥光源對(duì)全國用戶開放以來，在若干重大科學(xué)前沿和國家戰(zhàn)略需求方面取得了多項(xiàng)重大科研成果，發(fā)揮了大科學(xué)裝置作為多學(xué)科研究平臺(tái)的支撐作用，如：

　　中科院大連化學(xué)物理所楊學(xué)明研究組利用波蕩器高亮度真空紫外光束“發(fā)現(xiàn)玻恩？螄奧本海默近似在氟加氘反應(yīng)中完全失效”，研究成果于2007年發(fā)表在Science上，并入選“2007年中國十大科技進(jìn)展”；

　　本實(shí)驗(yàn)室齊飛研究組利用準(zhǔn)離子阱技術(shù)提高實(shí)驗(yàn)測量的信噪比，并與美、德科學(xué)家合作，首次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)一系列碳?xì)浠衔锶紵^程的重要中間體——烯醇，研究成果于2005年作為封面文章發(fā)表在Science上；中國科技大學(xué)俞書宏教授與本實(shí)驗(yàn)室田揚(yáng)超研究員合作，利用同步輻射X射線納米三維成像技術(shù)，成功地在室溫、空氣環(huán)境下對(duì)運(yùn)用化學(xué)法制造的“幾何明星”凹陷Escher型硫化銅十四面體微晶進(jìn)行了三維成像，直觀地揭示了傳統(tǒng)的形態(tài)和結(jié)構(gòu)分析技術(shù)難以解析的凹陷Escher型微晶結(jié)構(gòu)。相關(guān)論文發(fā)表在Appl. Phys. Lett.上，并被Nature China作為研究亮點(diǎn)加以報(bào)道；

　　中科院微電子所利用合肥光源的兩次X射線曝光技術(shù)，研制成功國內(nèi)第一個(gè)256位的分子存儲(chǔ)器電路；

　　“嫦娥一號(hào)”首次飛行任務(wù)攜帶的8大載荷之一——“太陽風(fēng)離子探測器”的紫外光抑制性能測試與探測器標(biāo)定由光譜輻射標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)量實(shí)驗(yàn)站完成，目前該探測器工作狀態(tài)良好；

　　國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室的近期目標(biāo)是：進(jìn)一步提高機(jī)器運(yùn)行可靠性和光源性能，包括提高光源亮度、實(shí)現(xiàn)單束團(tuán)注入和注入器升能；有選擇地開展原位、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)幾十納秒的時(shí)間分辨、幾十納米的空間分辨、幾個(gè)毫電子伏特的能量分辨的實(shí)驗(yàn)技術(shù)；聯(lián)合高水平用戶，在前述重點(diǎn)領(lǐng)域中有所作為。

　　隨著加速器技術(shù)的進(jìn)步，世界各國對(duì)“第四代光源”的探索一直在多方位地推進(jìn)。新一代光源將以高度相干的輻射為特征，亮度極高和/或脈沖極短，可能的選型包括短波長自由電子激光、束流橫向尺寸極小的衍射極限型儲(chǔ)存環(huán)光源、能量回收型直線加速器驅(qū)動(dòng)的光源，或束團(tuán)長度極短的紅外相干光源等。根據(jù)同步輻射光源布局總體基本合理、中低能波段偏弱的現(xiàn)狀，實(shí)驗(yàn)室正在規(guī)劃新一代光源的預(yù)研，它將是電子能量為1.5 GeV、在真空紫外和部分軟X射線波段達(dá)到衍射極限的先進(jìn)光源，其主要性能優(yōu)于世界上同一能區(qū)所有在運(yùn)行的光源。在實(shí)驗(yàn)技術(shù)上，將在飛秒時(shí)間分辨、納米空間分辨、亞毫電子伏特能量分辨、ppb超低濃度探測、相干衍射成像等方面向世界前沿挺進(jìn)。

　　通過上述努力，國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室將建成世界先進(jìn)的紅外－真空紫外－軟X射線波段的同步輻射中心、國家交叉科學(xué)研究中心及人才培養(yǎng)基地，為廣大用戶創(chuàng)造在以上波段做出世界一流成果的前所未有的研究機(jī)遇。