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上海光源概况


1、同步辐射与同步辐射光源

上海光源是一台高性能的中能第三代同步辐射光源,它的英文全名为Shanghai Synchrotron Radiation facility,简称SSRF。它是我国迄今为止最大的大科学装置和大科学平台,在科学界和工业界有着广泛的应用价值,每天能容纳数百名来自全国或全世界不同学科、不同领域的科学家和工程师在这里进行基础研究和技术开发。
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、高光谱耀度和高光子通量等。从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实验装置。
同步辐射光源自1947年代诞生以来,已有近60年的历史,随着应用研究工作不断深入,应用范围不断拓展,对同步辐射光源的要求也不断提高,并经历了三代的快速历史发展阶段。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)。目前世界上已建成的第一代同步辐射光源有17台,第二代有23台,第三代有13台(包括我国台湾及南韩的各1台),正在建造和设计的第三代同步辐射光源有12台。预计到2010年前后,每天将有上万名科学家和工程师同时使用这些同步辐射光源,从事前沿学科研究和高新技术开发。
第一代、第二代、第三代同步辐射光源之间的最主要的区别,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,结果得到的光亮度差1600倍,近三个量级!另一显著差别是可使用的插入件的数量悬殊,第二代光源仅能安装几个插入件,而第三代光源可有十几个到几十个插入件。由于插入件产生的光较之弯转磁铁产生的光具有更高的亮度和更好的性能,可见插入件数量的多寡可直观地表征光源的性能的优劣。

 


2、上海光源的先进性能与国际地位

1)上海光源的先进性
性能价格比高:储存环的能量3.5GeV,在中能区光源中能量最高,性能优化在用途最广的X射线能区。利用近年来插入件技术的新进展,不仅可在光子能量为1~5keV产生最高耀度的同步辐射光,而且在5~20keV光谱区间可产生性能趋近6~8GeV高能量光源所产生的高耀度硬X光;
全波段:波长范围宽,从远红外直到硬X射线,且连续可调。利用不同波长的单色光,可揭示用其他光源无法得知的科学秘密;
高强度:总功率为600千瓦,是X光机的上万倍。光通量大于1015光子/(S.10-3bw)。高强度和高通量为缩短实验数据获取时间、进行条件难以控制的实验以及医学、工业应用提供了可能;
高耀度:其耀度是最强的X光机的上亿倍,主要光谱复盖区的光耀度为1017~1020光子/(S.mm2.mrad2.10-3bw)。高亮度为取得突破性科技成果提供了高空间分辨、高动量分辨和超快时间分辨的条件;
优良的脉冲时间结构:其脉冲宽度仅为几十皮秒,可以单束团或多束团模式运行,相邻脉冲间隔可调为几纳秒至微秒量级,能为研究化学反应动力过程、生命过程、材料结构变化过程和大气环境污染过程等提供正确可信的数据;
高偏振:上海光源中在电子轨道平面上放出的同步光是完全线极化的, 而离开电子轨道平面方向发射的同步光则是椭圆极化的,因而是研究具有旋光性的生物分子、药物分子和表现为双色性的磁性材料的有力工具;
准相干:上海光源从插入件引出的高耀度光具有部分相干性, 为众多前沿学科的显微全息成像分析开辟了道路;
高稳定性,可以提供十几到几十小时的稳定束流,光束位置稳定度仅约光斑的10%;
高效性:总共将建设近60条以上光束线和上百个实验站,给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,夜以继日地在各自的实验站上使用同步辐射光;
灵活性:光源可运行于单束团、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;
前瞻性:首批光束线站的科学目标先进,能够满足我国多个学科领域对同步辐射应用的迫切需要,并至少具有30年科学寿命。
  2)建成后的水平和国际地位
SSRF能量居世界第四(仅次于日本SPring-8、美国APS、欧洲ESRF),性能超过同能区现有的第三代同步辐射光源,是目前世界上正在建造或设计中的性能最好的中能光源之一;
光源建造规模符合我国国情,投资适中,在宽广的光子能区具有好的性能价格比。光子能量范围优化在0.1~40keV。在5~20keV的硬X射线区,其耀度可接近大而昂贵的6~8GeV的第三代光源。在1~5keV能谱范围内的耀度居世界最高之列;
SSRF将在亚洲地区与日本SPring-8 (8GeV)、韩国PLS (2.5GeV)、中国台湾TLS (1.5GeV)和印度Indus-II (2.5GeV) 等高低能量的第三代同步辐射光源一起形成可以与美国和欧洲比拟的能量和性能分布合理的光源群,成为面向世界的同步辐射实验平台。
科学寿命大于30年。


3、上海光源的建设目标与技术挑战


1)上海光源的建设目标
  上海光源属中能第三代同步辐射光源,其电子束能量为3.5GeV,仅次于日本的SPring-8 (8GeV)、美国的APS(7GeV)和欧洲共同体的ESRF(6GeV),居世界第四。上海光源包括一台100MeV的电子直线加速器、一台能在0.5秒内把电子束从100MeV加速到3.5GeV全能量的增强器和一台3.5GeV的高性能电子储存环,以及首批建成的7+1条光束线站。上海光源储存环平均流强300mA,最小发射度4纳米弧度,束流寿命大于10小时。配以先进的插入件后,可在用户需求最集中的光子能区(0.1~40keV)产生高通量、高耀度的同步辐射光,光子亮度大于1019。储存环共有40块弯转二极磁铁、16个6.5米的标准直线节和4个12米的超长直线节,具有安装26条插入件光束线、36条弯铁光束线和若干条红外光束线等共60多条光束线的能力,它可同时为近百个实验站供光。首批建造的5条基于插入件的光束线站,分别是生物大分子晶体学线站、XAFS线站、硬X射线微聚焦及应用线站、X射线成像与生物医学应用线站、软X射线扫描显微线站;2条基于弯转磁铁的光束线站分别是高分辨衍射线站和X射线散射线站。此外,还将建造一个基于软X射线光束线的X射线干涉光刻分支线站。
2)上海光源的技术难度
上海光源是极其复杂的大科学工程,包含有众多系统,它们分别涉及超导高频及低温技术、超高真空技术、高精度数字化电源技术、高性能磁铁及机械准直技术、高性能束流诊断技术、先进控制技术,以及先进光束线技术等多项先进技术,部件研制及系统集成难度极高;特别是须在保证各系统性能的前提下达到很低的故障率,以实现提供十几到几十小时的稳定束流、年运行5000小时以上供光时间的预定目标。
高耀度要求储存环具有小发射度。上海光源的水平发射度仅约4纳米弧度,光源点水平束斑尺寸约150微米、垂直束斑尺寸仅约10微米。然而,低发射度要求储存环的动力学孔径只能很小,也带来了光束的各种不稳定性、束流寿命短等难题。可见,如何优化光源的动力学性能以提高束流寿命,是一大难题。
为保持束流稳定,其轨道的垂直稳定度须控制在1微米以内,如何实现这指标是建造上海光源的一大难点。严格控制地基的不均匀沉降、储存环隧道和实验大厅地板的扭曲和变形,严格限定储存环隧道内空气温度的变化和光源设备冷却水温度的变化,监测和控制各种振动源,优化装置的机械结构,采用振动的隔离和阻尼措施,提高电源稳定度和降低纹波,并应用轨道反馈手段等,使光源稳定性达到世界一流水平。


 

4、上海光源建设时间表


建筑安装工程: 2004年12月-2006年9月
设备加工与制造: 2005年3月-2007年11月
设备安装与系统调试:2005年7月-2008年3月
调束与试运行: 2008年4月-2009年4月

 

 

 


上海光源的应用前景


  同步辐射为许多前沿学科领域的研究提供了一种最先进又不可替代的工具。利用同步辐射实验技术开展实验研究所涉及的学科之众多,应用的领域之广泛,是其它大科学装置无法比拟的。
  生命科学和医药学与人类健康生活息息相关,也是同步辐射光得到广泛应用的重要领域。同步辐射X射线衍射方法是当前测定生物大分子结构的最有力手段,是研究生命现象与生物过程的利器。英国科学家J. Walker和美国科学家 R. Mackinnon 籍助同步辐射研究生物分子的结构与功能,取得了突破性的成就,先后荣获1997年度和2003年度诺贝尔化学奖。研究病毒以及病毒与人体内发生作用的生物分子的结构,对于弄清病毒的致病机理与过程至关重要,利用这些结构信息有针对性地进行药物设计、合成与筛选,可以大大加快新药物研制的进程。利用这种方法,国外已成功研制出用于治疗艾滋病的药物,对于降低艾滋病的死亡率起到了良好的作用。在2003年我国出现SARS疫情后不及,我国科学家就利用同步辐射光成功测定了SARS病毒主蛋白酶的结构,为研制抵御SARS病毒的药物提供了重要信息。在医学诊断方面,同步辐射光也展示出了非常重要的应用前景。心血管疾患常导致突发性死亡,是威胁人类生命的主要疾病之一。采用同步辐射光源X射线的造影技术可以实现安全、高清晰的心血管成像,为心血管疾病的早期诊断提供安全、快速的诊断方法。在肿瘤诊断方面,利用同步辐射光的高分辨特点,可以发现很小的肿瘤,实现肿瘤的早期诊断以提高肿瘤的治愈率。
  材料科学是支撑高技术经济发展必不可少的基础,未来的技术革命将在很大程度上取决于新型材料的发明,例如半导体、高分子聚合物、合金、陶瓷、超导材料、复合材料、金属玻璃以及纳米材料等,这些具有异乎寻常性能的新型材料将在计算机、信息、通讯、航空航天、机器人、医药、微机电和能源等新兴产业中获得越来越广泛的应用。利用上海光源所产生的高亮度同步辐射光束,可以揭示材料中原子的精确构造和得到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",也隐含着发明新颖材料的原理来源。
人类赖以生存的自然环境是脆弱的,资源也是有限的。环境污染、生态失衡、资源短缺、地球变暖和自然灾害等,都对人类的生存构成了直接威胁,地球和环境科学面临的许多挑战正成为世界性的课题。分子环境科学以同步辐射X射线谱学技术作为主要分析手段,能在分子水平上描述环境污染物的形态,研究污染物的迁移和转化的复杂化学过程,从而评估污染风险和确定污染治理方案。而基于分子环境科学所建立起来的受环境污染植物的修复技术,以其自然、生态、绿色的特点而越来越受到重视与欢迎,可望产生重大的社会效益和经济效益。在地球科学研究方面,利用高亮度同步辐射X射线作为微探针,将能够深入地了解地壳深处和地幔中矿物的演变和转化,对于矿床地质、矿物、岩石、探矿以及地球化学研究起着重要的作用。
  微电子机械系统(MEMS)是一种高智能度、高集成度的系统。科学家预言,20年后MEMS产出的社会和经济效益将相当于今天微电子技术所产生的。在微细加工技术中,利用同步辐射X光深度光刻技术,已经研制出微型传感器、微型光电部件、微型马达、微型齿轮、微电子开关和微型喷嘴等,同步辐射光将在MEMS制造技术开发方面将发挥重要作用。随着集成电路的集成度越来越高,科学界预计,对线度在几十纳米及以下的集成电路,同步辐射光刻技术将有可能成为主要的光刻手段。
石化及化学工业中,催化剂起着核心作用,对产出有重要影响。利用同步辐射光可以研究催化机理和催化剂的特性,这有助于研究发明新型催化剂,其结果直接影响到石油化工的效率和产出。在高分子材料改性和开发研究方面,同步辐射光所起的作用受到越来越多的关注。移动通讯和便携式电脑市场的迅猛发展导致对质轻、价低、续航时间长的可充电电池的需求激增,各国的制造商正在为掌握新的电化学反应以开发高性能的电池而陈兵鏖战,而同步辐射光正是他们手中的新式武器。
  在许多其它产业研发与检测方面,如超大规模集成电路中硅晶片中的痕量杂质探测分析、飞机发动机和航天器的疲劳测试、纸浆无氯漂白工艺改进、化妆品效果分析乃至新口味凝胶食品的开发等,同步辐射光都将大显其非凡身手。
注释:
John Walker:因阐明了ATP合成的酶作用机制而获得1997年化学奖;
Roderick Mackinnon:因阐明了离子通道的结构与机制而获得2003年化学奖;

 


上海光源的科学意义与社会效益

 


  上海光源能量居世界第四,是世界上同能区正在建造或设计中性能指标最先进的第三代同步辐射光源之一,性能被优化在用途最广泛的X射线能区,科学寿命大于30年,并可开展自由电子激光等下一代光源的研究。它将对我国科学技术的发展和综合国力的提高产生重大影响,主要可简述为以下四个方面:
1、上海光源将为我国的多学科前沿研究和高新技术开发应用提供先进的实验平台,将为提升我国的综合科技实力做出不可替代的重要贡献。
  上海光源具有几十条可向用户开放的光束线和上百个科学实验站,它们将为我国的生命科学、材料科学、环境科学、信息科学、凝聚态物理、原子分子物理、团簇物理、化学、医学、药学、地质学等多学科的前沿基础研究,以及微电子、医药、石油、化工、生物工程、医疗诊断和微加工等高技术的开发应用,提供不可替代的先进实验平台。仅以生命科学为例,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,因此蛋白质科学技术已成为我国国家中长期科技发展规划的关注点。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,其中80%以上的工作需要在第三代同步辐射光源上进行,所以上海光源将成为我国生命科学前沿研究不可或缺的大科学设施。
  上海光源将对有巨大产业前景的微电子、微机械等高新技术的开发,起到极大的推动作用。由于在长三角地区存在拥有此类高技术的许多高端用户,故而草拟中的上海市中长期科技发展规划里,已将应用上海光源放在非常重要的地位,潜在用户中囊括了微电子与光电子工艺平台、先进复合材料、红外光电材料和器件、再生能源等多个领域中的上千名高科技开发商。
上海光源作为先进的中能第三代同步辐射光源,本身具有很高的现代高科技的融合度和集成度,因此它将成为我国显示综合科技实力的标志性重大科学装置,并为提升国家知识创新能力和综合科技实力做出不可替代的重要贡献。
2、上海光源将为不同学科间的相互渗透和交叉融合创造优良条件,为组建综合性国家大型科研基地奠定基础。
  上海光源首批建设的光束线和实验站居国际先进水平,可同时容纳几百名来自不同学科和高技术领域的科学家、工程师开展科学实验。几十条光束线和上百个实验站全部建成后,同时容纳的研究人员可达上千名。如此之多的研究人员同时使用上海光源,就创造了特有的科研氛围,为不同学科间的学术交流提供了天然的优良条件,使上海光源自然而然成为综合性的大型前沿研究中心,为萌发新思想、创造新方法和开辟新学科提供极为有利的环境条件。
  中国科学院正计划筹建以上海光源等大型设施为依托的上海应用物理国家实验室。该国家实验室在发展光源物理与技术的同时,还将大力开展相关学科的交叉融合性研究,如空间技术向小型化和微型化发展中所需要的新型信息功能材料与器件研究与研制、健康领域中疾病的新型诊断技术和新药的设计与遴选技术研究、结构与功能材料研究、强光技术研究、有机化学领域前沿问题研究等。这个计划组建的国家实验室将成为在国际上占有一席之地的综合性高科技研发中心。
3、上海光源将直接带动我国相关工业的发展
  上海光源的建设将直接带动我国现代高性能加速器、先进电工技术、超高真空技术、高精密机械加工、X射线光学、快电子学、超大系统自动控制技术以及高稳定建筑等先进技术和工业的发展。大科学工程的实践证明,这种带动作用的间接效应所带来的社会和经济效益是非常大的。
  上海光源对于我国在现有的工业基础上及早赶上国际先进水平,取得具有自主知识产权的技术开发成果,将起到重要作用。例如,我国在某些催化剂和高分子材料的研究方面有着相当好的基础和科技积累,但加入WTO之后,面临激烈的竞争,催化剂的研发就是竞争的一个焦点。上海光源将是新型催化剂研发中不可或缺的工具。放眼世界,各大石油公司均已在同步辐射光源上建有专用的光束线站,假如没有高性能的第三代同步辐射光源先进技术的支持,我国企业将面临十分被动的局面,因为一种催化剂的成败,会导致进口货和国产品每年的销售差价超过10亿元人民币之多。此外,基于第三代同步辐射光源的微细加工技术已成为发展微电子机械系统的主要支撑技术,微细加工将在不长的时间内形成具有相当规模的产业。随着业界对集成电路的集成度要求越来越高,科学界估计,对线度在几十纳米及以下的集成电路,第三代同步辐射光刻技术有可能将成为主要的光刻手段。在医疗诊断和新药研究方面,上海光源也将显示出其独特的优势,例如双光子高清晰度心血管造影技术等。
4、上海光源将产生的社会效益
  大科学工程对社会的影响是多方面、多层次的。上海光源的建成是民族自强的体现,它显示了我国在高新技术领域占有一席之地的决心和意志。可预见到,上海光源将成为爱国主义教育和科学普及的基地,国内已建成的大科学工程均已开展这项工作,获得很好的效果。上海光源由中央政府和地方政府共同出资,在我国更是开历史之先河。我国正处在一个变革时期,构建新体制是当前的重要任务,上海光源的建设将为此增添一份宝贵的经验。

 

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