上海同步輻射光源

我國迄今最大的重大科學工程——上海同步輻射光源（以下簡稱“上海光源”）於2010年1月19日在上海通過國家驗收。此舉標誌著中國這一性能指標達到世界一流的中能第三代同步輻射光源，正式對科研用戶開放。

基本介紹

• 中文名：上海同步輻射光源
• 位置：上海
• 時間：2010年1月19日
• 相關：中國科學院

工程介紹

“上海同步輻射光源”2004年12月25日破土開工，由中國科學院與上海市人民政府共同向國家申請建造，由中國科學院上海套用物理研究所承建，總投資約12億元，我國迄今最大的大科學裝置“上海同步輻射光源”。在我國，第一代同步輻射光源是“北京光源”，第二代光源是合肥國家同步輻射實驗室，第三代光源就是“上海光源”。

“上海光源”發出的超強X光將對微觀世界的認知帶來一場“成像革命”——它將利用比普通X光機亮上億倍、強百萬倍的同步輻射光對物質進行微觀“成像”。接近光速運動的電子在磁場中作曲線運動改變運動方向時所產生的電磁輻射，也就是同步輻射光源。從上世紀70年代起，全球建成和在建的同步輻射光源裝置已有60餘座。在國際上已經建成的20台第三代同步輻射光源中，“上海光源”的能量居世界第四，僅次於日本、美國、歐洲的有關設施。它還將與我國台灣地區以及日本、韓國、印度的第三代同步輻射光源一起，形成堪與美歐媲美的亞洲光源群。與第二代合肥同步輻射光源相比，第三代“上海光源”其電子束髮射度約4納米弧度，二者相差近40倍，其得到的光亮度相差約1600倍（約三個量級）。“上海光源”擁有的高強度、高亮度、高穩定性等特性，可用以從事生命科學、材料科學、環境科學、醫學、藥學等多學科的前沿基礎研究，以及微電子、石油、醫療診斷等高技術的開發套用的實驗研究。以生命科學為例，生命科學已進入了後基因組時代，蛋白質科學已成為各已開發國家競相搶占的制高點。而以蛋白質結構和功能研究為主要目標的結構基因組學研究80%以上的工作需要在第三代同步輻射光源上進行。開放共享是大科學裝置的顯著特點。“上海光源”具有建設60多條光束線的能力，屆時可以同時向上百個實驗站提供從紅外光到硬X射線的各種同步輻射光，給用戶的供光機時將超過5000小時/年。目前，首批7條光束線與實驗站全部完成安裝和調試，所有60多條光束線計畫在未來15年內完成安裝調試。“上海光源”已收到全國78所大學的301份使用申請，總計2868個機時段23000個小時。如此大規模的申請，恐怕將‘上海光源’明年的機時量排進去都不夠。

光源歷史

人類文明史是利用和開發光資源的歷史

人類生存和發展從來就離不開對“光”的利用和開發，人類的文明史是一部利用和開發“光資源”的歷史。“光”是一個很大的家族，其中“可見光”只是“光家族”中的一員。光可依其波長不同，分為無線電波、微波、紅外、可見光、紫外、真空紫外、軟 X射線、硬 X射線和伽馬（γ）射線等。

光的波長或能量決定了它與物質的相互作用類型，如“可見光”照射人體時，會被反射到我們的眼睛，並被視網膜/視神經所感覺而“看到”人體；而當 X射線光照射人體時，則會穿透過人體，並在 X光底片上留下透過程度的影像紀錄，醫院裡給病人做 X光透視就是這樣。

光波具有衍射現象，用光探測物體或分辨兩物體時，光的波長應當與物體的大小或兩物體的間距相近或更短。因此，天文學家要探測宇宙星球，可以選用無線電波；航空管理者要跟蹤飛機，可以選用微波（雷達）。而科學家要研究比“可見光”波長更短的物體，要“看清”病毒、蛋白質分子甚至金屬原子等微觀物體，必須選用與這些微觀物體大小相近或更短的波長的光束，來照射微觀物體，利用光束在物質中的衍射、折射、散射等能夠檢測到的特性，或者利用光束與物體相互作用產生的光激發、光吸收、螢光、光電子發射等特性，來探究未知的微觀世界。

新人工光源帶來人類文明的新進步

光是由光源產生的，如太陽、蠟燭和電燈。其中太陽是天然光源，蠟燭和電燈是人工光源。由於可利用的天然光源所產生的光僅占整個光家族的很小部分，所以人類一直在努力開發和利用各種各樣的人工光源。任何一種新人工光源的發明和利用，都標誌著人類文明新的進步，如倫琴發明的 X射線、愛迪生髮明的電燈、二次大戰中發明的微波、20世紀60年代發明的雷射等，都是人工光源發展史上的重大里程碑，它們都極大地促進了人類文明的進步。20世紀60年代末出現的同步輻射光源，是被譽為“神奇的光”的又一種人工光源，它在基礎科學研究和高技術產業開發套用研究中都有廣泛的用途。

技術歷史

同步輻射，是由以接近光速運動的電子在磁場中作曲線運動改變運動方向時所產生的電磁輻射，其本質與我們日常接觸的可見光和X光一樣，都是電磁輻射。由於這種輻射是1947年在同步加速器上被發現的，因而被命名為同步輻射（Synchrotron　radiation）。 由於同步輻射造成的能量損失極大地阻礙了高能加速器能量的提高，因此在早期同步輻射被作為高能物理極力要排除的因素。後來，人們發現同步輻射具有常規光源不可比擬的優良性能，如高準直性，高極化性，高相干性，寬的頻譜範圍、高光譜亮度和高光子通量等。 從上世紀70年代開始，已開發國家逐步開展了同步輻射的套用研究，其卓越的性能為人們開展科學研究和套用研究帶來了廣闊的前景，因此在幾乎所有的高能電子加速器上都建造了同步輻射線站，以及各種套用同步輻射光的實驗裝置。 同步輻射光源自1947年誕生以來，至今已有60餘年的歷史。隨著套用研究工作不斷深入，套用範圍不斷拓展，同步輻射光源經歷了三代快速歷史發展階段。第一代同步輻射光源是寄生於高能物理實驗專用的高能對撞機的兼用機，如北京光源（BSR）就是寄生於北京正負電子對撞機（BEPC）的典型第一代同步輻射光源；第二代同步輻射光源是基於同步輻射專用儲存環的專用機，如合肥國家同步輻射實驗室（HLS）；第三代同步輻射光源是基於性能更高的同步輻射專用儲存環的專用機，如“上海光源”（SSRF）。 第一代、第二代、第三代同步輻射光源之間的最主要區別，是在於作為發光光源的電子束斑尺寸或電子發射度的迥異。例如第二代的合肥同步輻射光源，其電子束髮射度約150納米弧度，而第三代的“上海光源”，其電子束髮射度約4納米弧度，二者相差近40倍，其得到的光亮度相差約1600倍，約三個量級。

特性

★寬波段：同步輻射光的波長覆蓋面大，具有從遠紅外、可見光、紫外直到 X射線範圍內的連續光譜，並且能根據使用者的需要獲得特定波長的光。

★高準直：同步輻射光的發射集中在以電子運動方向為中心的一個很窄的圓錐內，張角非常小，幾乎是平行光束，堪與雷射媲美。

★高偏振：從偏轉磁鐵引出的同步輻射光在電子軌道平面上是完全的線偏振光，此

外，可以從特殊設計的插入件得到任意偏振狀態的光。

★高純淨：同步輻射光是在超高真空中產生的，不存在任何由雜質帶來的污染，是非常純淨的光。

★高亮度：同步輻射光源是高強度光源，有很高的輻射功率和功率密度，第三代同步輻射光源的 X射線亮度是 X光機的上千億倍。

★窄脈衝：同步輻射光是脈衝光，有優良的脈衝時間結構，其寬度在10－11~10－8秒（幾十皮秒至幾十納秒）之間可調，脈衝之間的間隔為幾十納秒至微秒量級，這種特性對“變化過程”的研究非常有用，如化學反應過程、生命過程、材料結構變化過程和環境污染微觀過程等。

★可精確預知：同步輻射光的光子通量、角分布和能譜等均可精確計算，因此它可以作為輻射計量———特別是真空紫外到 X射線波段計量———的標準光源。

此外，同步輻射光還具有高度穩定性、高通量、微束徑、準相干等獨特而優異的性能。

第三代技術

上海同步輻射裝置（ Shanghai Synchrotron Radiation Facility，簡稱 SSRF），是一台世界先進的中能第三代同步輻射光源，總投資計畫12億人民幣。上海同步輻射裝置的電子儲存環電子束能量為3．5GeV（35億電子伏特），僅次於世界上僅有的四台高能光源（美、日、歐 台灣各一台），居世界第五，超過其它所有的中能光源； X射線的亮度和通量被最佳化在用戶最多的區域。

上海同步輻射裝置是國家級大科學裝置和多學科的實驗平台，由全能量注入器、電子儲存環、光束線和實驗站組成。全能量注入器提供電子束並使其加速到所需能量，電子儲存環儲存電子束並提供同步輻射光，光束線對引出的同步輻射光進行傳輸、加工，提供給實驗站上的用戶使用。

（一）提供電子束的全能量注入器

全能量注入器包括電子直線加速器、增強器和注入/引出系統，其作用是向電子儲存環提供所需的電子束。電子槍產生的能量為10萬電子伏特的電子束，先被約40米長的電子直線加速器加速到3億電子伏特能量，然後被注入到周長約158米的增強器中，由增強器繼續加速到35億電子伏特，再經過注入/引出系統注入到電子儲存環。這種把電子束加速到了電子儲存環運行能量的注入器叫全能量注入器。整個注入過程必須通過一套專門設計的時序控制系統來“精確指揮”。

（二）產生同步輻射光的電子儲存環

電子儲存環是一個周長為396米的閉合環形高科技裝置，相當於一個學校400米環形跑道的操場，用來儲存35億電子伏特高能電子束。電子儲存環是同步輻射光源的主體與核心，其性能直接決定了同步輻射光源性能的優劣。它由真空度為10－9乇的超高真空室、高精度磁鐵系統、高頻加速腔、高靈敏的束流探測儀器和控制系統等組成。高精度磁鐵系統是儲存環的主要部件，包括40台二極偏轉磁鐵、200台四極聚焦磁鐵和140台六極色品磁鐵。根據設計要求，這些磁鐵按特定順序沿環排列，形成一個呈20周期的消色散磁聚焦結構，每周期含有一段7米或5米長的直線段。為保證向用戶提供在空間位置上高度穩定的同步輻射光，電子束軌道的穩定需要被控制在微米量級。

（三）光束線———“橋樑”

光束線沿著電子儲存環的外側分布，它是用戶實驗站與電子儲存環之間的“橋樑”，對從電子儲存環引出的同步輻射光，按用戶要求進行再加工，如分光、準直、聚焦等，並輸送到用戶實驗站。它包括安裝在真空管道內的一系列精密光學系統，涉及的主要光學元件有準直狹縫、聚焦鏡、單色儀（光柵或晶體）和反射鏡等，這些特殊的現代光學器件對材料、工藝、精度、控制和冷卻等都有十分苛刻的要求。此外它還有快速

真空閥和輻射防護閘以實施真空和輻射安全的連鎖保護。

（四）探索自然奧秘的實驗站

實驗站是科學家和工程師利用同步輻射光揭開科學秘密、開發高新技術產品的綜合科技平台。在這裡同步輻射光被“照射”到各種各樣的實驗樣品上，同時科學儀器紀錄下實驗樣品的各種反應信息或變化，經高速計算機處理後變成一系列反映自然奧秘的曲線或圖像。

將落戶張江高科技園區

1999年7月上海同步輻射裝置工程領導小組審議並批准上海同步輻射裝置落戶上海浦東新區的張江高科技園區，占地300畝。捷運2號線將它與陸家嘴金融貿易區、市中心南京路步行街等直接相連，行程15~20分鐘。由此，上海可望在21世紀成為全國乃至世界的多學科前沿研究中心。

國家科技領導小組已於1997年6月批准上海同步輻射裝置先進行工程預製研究，以掌握建設上海同步輻射裝置的關鍵技術，形成骨幹科技隊伍。在國家計委和上海市人民政府的共同支持下，工程預製研究自1999年起，由工程指揮部在中國科學院上海原子核研究所組織實施。目前已完成41項涉及上海同步輻射裝置大部分重大關鍵技術非標設備的研製，其中26項達到國際上第三代同步輻射光源同類設備的先進水平，並於2001年3月通過了由中國科學院基礎科學局和上海市計委共同主持、主要由兩院院士組成的專家組的鑑定。與此同時，還完成了《上海同步輻射裝置工程初步設計》，形成了一支專業配套、結構合理的設計、建設和研發骨幹科技隊伍。

上海裝置特性

上海同步輻射裝置除了具有第三代同步輻射光源共同的特性之外，還具有：

（1）高效性：總共將建設近50條光束線和上百個實驗站，所有這些實驗站都是為準確探測同步輻射光與實驗樣品的各種相互作用而精心設計的。首批擬建的7條光束線、實驗站和4個後備實驗站已於1999年底通過了國內外的專家評審，它們是：硬 X射線生物大分子晶體學、硬 X射線吸收精細結構（ X AFS）、硬 X射線高分辨衍射與散射、硬 X射線微聚焦及套用、醫學套用、軟 X射線相干顯微學、 L IGA及光刻，以及紅外等後備實驗站。上海同步輻射裝置將陸續向廣大用戶提供掃描光電子能譜、掃描透射 X射線顯微、 X射線螢光顯微、 X射線非彈性散射等實驗站。向用戶的供光機時將超過5000小時/年，每天可容納幾百名來自海內外不同學科領域或公司企業的科學家/工程師，日以繼夜地在各自的實驗站上同時使用同步輻射光。

（2）靈活性：上海同步輻射裝置可運行於單束團、多束團、高通量、高亮度和窄脈衝等多種模式，可依據用戶需求快速變換運行模式，以滿足用戶的多種需求。

（3）前瞻性：上海同步輻射裝置的科學壽命至少30年，電子直線加速器同時用於發展深紫外區高增益自由電子雷射。

套用前景

利用上海同步輻射裝置的高亮度、短波長的同步輻射光在空間分辨上的優勢，將可以進行許多前沿學科的探索。生物學家依託同步輻射光，能獲得生物大分子的三維結構，進而研究其結構與功能之間的關係；而通過對病毒外殼蛋白、癌症基因及其表達物等病原三維結構的詳細了解，有望設計出能與該病原特異結合的藥物小分子，以阻斷病原對細胞的感染，或抑制其致病的功能，這就是基於分子結構的藥物設計新概念。材料科學家利用同步輻射光，可以清楚地揭示出材料中原子的精確構造和有價值的電磁結構參數等信息，它們既是理解材料性能的“鑰匙”，也是設計新穎材料的原理來源，所以材料科學家和他們所服務的企業成了第三代同步輻射光源的大用戶。

利用上海同步輻射裝置的高亮度、窄脈衝的同步輻射光在時間分辨上的優勢，將可以實現在分子水平上直接觀察生命現象和物質運動過程。對於生命科學來說，靜態地了解生物大分子或生物體的結構只是第一層次的研究，生物大分子或生物體結構變化的實時觀察則是更高層次的研究。上海同步輻射裝置為這一類動態過程的研究開啟了大門，預計在不遠的將來，人們將有可能像看電影那樣直接觀察生物大分子之間相互作用的精細過程，生命科學的研究將進入一個嶄新的天地。對於材料科學來說，上海同步輻射裝置將可以使我國材料科學家獲得發生在原子水平的材料形成過程的動態圖像，這些過程包括生長機制、相變過程、固態作用、裂縫擴散、高分子聚合物硬變、交界面過程和其他與時間相關的過程，它們是發明優秀新材料不可或缺的“源頭信息”。而對於作為同步輻射光源的基本用戶的化學科學來說，上海同步輻射裝置將是我國化學科學躋身世界前列的必不可少的現代工具，將使我國化學科學家可以直接觀測小至1立方微米的化學樣品在化學反應期間原子的重新排列和位置，跟蹤發生在快於10－9秒（十億分之一秒）的化學過程，在最基礎的水平上掌握形成新化學產品的整個過程。

利用上海同步輻射裝置的高亮度、能量可選的同步輻射光，將大大提高對生命體內結構與形態的觀察精度。通過同步輻射 X光顯微成像和斷層掃描成像技術能夠直接獲取活細胞結構圖像。基於上海同步輻射裝置強度高、能量可選的 X射線，發展起來的“雙色減影心血管造影”新技術，可以為心血管病的早期診斷提供安全、快速、高清晰的診斷方法。最近，利用第三代同步輻射 X光源射線橫向相干性好的特性，發展了 X射線相位反襯成像技術，能夠清晰地拍攝出吸收反襯很弱的軟組織如血管、神經等的照片，有望發展出不需要造影劑的“心血管造影術”。

利用上海同步輻射裝置在空間分辨、時間分辨上的優勢，將大大促進和加快我國的蛋白質結構基因組學研究。在過去的十多年裡，基因測序是生物學的熱門話題，人類基因組測序已完成，但這只是生命科學進入新時代的開端。因為要從根本上掌握生命現象基本規律，必須了解基因載體———蛋白質分子的三維結構，破解其結構與功能的關係。測定蛋白質分子三維結構的最有效的手段是 X射線蛋白質晶體衍射。由於蛋白質晶體體積小（幾十個微米），且分子數目少，要求所用的 X射線光具有高亮度。如用 X光機束測一套蛋白質晶體衍射數據的話，需要幾十個小時；用二代光源，需要幾十分鐘；用第三代光源則只要幾秒鐘。另外，同步光源還具有短脈衝（小於100皮秒）時間結構，為實時觀測生物分子結構動態變化過程提供了可能性，將把生命科學研究帶入一個嶄新的時代。

同步輻射光源已經成為材料科學、生命科學、環境科學、物理學、化學、醫藥學、地質學等學科領域的基礎和套用研究的一種最先進的、不可替代的工具，並且在電子工業、醫藥工業、石油工業、化學工業、生物工程和微細加工工業等方面具有重要而廣泛的套用。上海同步輻射裝置將成為我國迎接知識經濟時代、創立國家知識創新體系的必不可少的國家級大科學裝置。