上海光源实验室.docx

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上海光源实验室

上海光源实验室

——中国国家重大科学工程

工程投资额：

12亿元

工程期限：

2004年—2009年

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ShanghaiSynchrotronRadiationfacility，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。

　　上海光源工程总投资约12亿元人民币,其中国家安排投资4亿元,上海市和中科院各出资4亿元。

工程座落在浦东张江高科技园区的张衡路239号，于2004年12月启动，目前已开工近4年，按节点顺利进入最后1/4工期。

2008年内，在这座体育场大小的圆形建筑内，直线电子加速器、小环增强器、大环储存器"三大件"都将完成安装，预计再经过一个调试周期，这一光源工程可于后年初正式建成投运。

工程用地范围约20万平方米，相当于28个足球场。

这种先进的同步辐射光源装置，可同时提供从"硬X射线"到"远红外波段"的高亮度光束。

自1974年同步辐射现象被首次观察到，这类光源装置至今已发展出第三代。

各国家和地区现有同步辐射光源50多台，像上海光源这样的第三代光源，已建成11台，在建和设计中的有13台。

预计2010年前后，全球每天都有上万名科学家和工程师利用这些光源产生的不同波长的光，从事前沿学科研究和高新技术开发。

据悉，上海光源建成后总能量可跻身世界四强，成为我国新世纪必不可少的大科学平台。

　　该工程主体结构分为三部分，外圈为432米周长的大环储存器，与之相切的内圈是一个180米周长的小环增强器，它连接着中心位置上的直线电子加速器---这一整条"光电隧道"的能量传送方向为"直线－小环－大环"。

目前，"直线"、"小环"内的设备均已安装到位，并且完成了调试，进度比预期快很多，创造出了光源建设领域的世界级速度。

同时，工程确保了光束流的轨道稳定在千分之二到千分之五毫米之间，达到国际高精尖水平。

年底前，"大环"设备安装即将收尾，并启动调试工作，计划至明年中期完成。

此后，再经历一个工程优化和提升过程，上海光源就能如期于2009年"出光"。

　　据透露，在足有400米跑道长的"大环"外，还将逐步建成40到50个"光束线站"，这些"光的实验室"依次分布在"大环"外围，从"光环"中引出所需的光束线。

明年，首批实验用户即可进站。

由于上海光源堪称各种光的"博物馆"，可为微电子、制药、新材料、生物工程、精细石油化工等众多先进制造业领域提供研发手段。

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（Synchrotronradiation）。

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。

上海光源的技术特征

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。

上海光源实验室全景

什么是同步辐射

光是一种电磁波，也是一种粒子，叫做光子。

可以用波长或者频率表征光波，也可以用能量表征光波。

光的波长可从10-4厘米到10-16厘米，相应于光子的能量为100电子伏到10E12电子伏。

波长越短，能量越高。

在雨中快速转动雨伞时，沿伞边缘的切线方向会飞出一簇簇水珠。

利用弯转磁铁可以强迫高能电子束团在环形的同步加速器以接近于光速作回旋运动，在切线方向会有电磁波发射出来。

接近光速运动着的电子或正电子在改变运动方向时放出的电磁波叫做辐射波，因为这一现象是在同步加速器上发现的，所以称为同步辐射。

这种电子的自发辐射，强度高、覆盖的频谱范围广，可以任意选择所需要的波长且连续可调，因此成为一种科学研究的新光源。

同步辐射光的特点

高强度

如用X光机拍摄一幅晶体缺陷照片，通常需要7-15天的感光时间，而利用同步辐射光源只需要十几秒或几分钟，工作效率提高了几万倍。

高亮度的特性决定了同步辐射光源可以用来做许多常规广源所无法进行的工作。

宽波谱

同步辐射从红外线、可见光、真空紫外、软X射线一直延伸到硬X射线，是目前唯一能覆盖这样宽的频谱范围又能得到高亮度的光源。

利用单色器可以随意选择所需要的波长，进行单色光的实验。

高准直性

利用同步辐射光学元件引出的同步辐射广源具有高度的准直性，经过聚焦，可大大提高光的亮度，可进行极小样品和材料中微量元素的研究。

脉冲性

同步辐射光是由与储存环中周期运动的电子束团辐射发出的，具有纳秒至微秒的时间脉冲结构。

利用这种特性，可研究与时间有关的化学反应、物理激发过程、生物细胞的变化等。

偏振性

与可见光一样，储存环发出的同步辐射光根据观察者的角度可具有线偏振性或圆偏振性，可用来研究样品中特定参数的取向问题。

同步辐射的发展现状

同步辐射是速度接近光速的带电粒子在作曲线运动时沿切线方向发出的电磁辐射——也叫同步光。

这种光是1947年在美国通用电器公司的一台70Mev的同步加速器中首次观察到的，因此被命名为同步辐射，但对同步辐射的研究与认识并非从此开始，对于这种高速运动的电子的速度改变时会发出辐射的现象早就被人们所认识并经历了长期的理论研究，但要从实验上观察到这种辐射却不是一件容易的事，需要有以近光速运动的高能量电子，电子加速器的发展成为获得同步辐射的技术基础。

同步辐射的电子加速器可使高能电子加速到Mev乃至Gev的能量范围，主要有以下几种类型：

直线加速器

加速电子（或其它带电粒子）到高速度、高能量的简单且直接的方法是高压型加速，增大加速电压就能使电子加速到很高的速度或能量，这种加速过程需要在高真空或超高真空条件中进行。

对于电子，其带电量为一个电子电菏e，如要将电子加速到几十Kev的能量就要用几十KV的电压，以此类推，在更高的电压条件下，为避免高压击穿须采用强烈的电感应来加速，而且必须在合适的相位范围内使相位相同，否则不仅不能加速还会减速。

这种用高频高电压加速的粒子流在时间上是一段一段的，脉冲式的，是很窄的粒子流，成为一个个束团。

为了利用高电压来加速，人们把多个中空的金属筒有间隙的排列在一条直线上，并将高压高频交流电源间隔的耦合到各个圆筒上，各个圆筒之间存在高电压，相位轮流相反，电子在圆筒之间被加速。

回旋加速器和电子感应加速器

如果要用直线加速器得到很高的电子能量，整个加速器要做的很长，很不经济。

到了20世纪20年代，回旋加速器（cyclotron）和电子感应（betatron）相继发明，有了把电子加速到极高能量的可能。

回旋加速器是利用高频感应电压给电子加速增能和用磁场使带电粒子做绕圈运动这两种作用建立起来的。

电子在圆形环中运动，在加速间隙得到加速，所运行的轨道半径也一步一步增加，以达到加速增能的目的。

电子感应加速器是利用电子绕圈内的磁通变化所感应出的电场来加速电子。

电子手约束磁场的作用基本以不变的半径绕圆圈，每绕一圈就加速一回，由于电子的速度很快，在不长的时间内绕的圈数很多，故能够得到很高的能量。

同步加速器

1945年McMillan和Veksler发明了同步加速装置。

同步加速器由许多C型磁铁环状排列而成，在磁铁中部安装了环型真空盒，在环的某一段安装了高频高压加速器，电子就在真空盒内，在磁铁的作用下做环状运动，经过高频时得到加速。

为使加速后的电子仍以相同的半径作环形运动，就要改变同步C形磁铁造成的约束磁场，这就是同步加速器的由来。

到了20世纪70年代中期，人们进一步认识到在高能物理中用于对撞实验的电子存储环来发生同步辐射更合适，因为电子在存储环中以一定的能量作稳定的回环运动，这与同步加速器中的电子的能量不断改变的情况不同，因而能长时间的稳定的发出同步辐射光。

随着电子存储环能量的提高，所得同步辐射的波长不断缩短，从紫外线或软X射线一直扩展到硬X射线。

同步辐射较之常规光源有许多优点。

比如它频谱宽，从红外一直到硬X射线，是一个包括各种波长光的综合光源，可以从其中得到任何所需波长的光；其中最突出的优点是亮度大，对第一代光源，亮度可达10E14~10E15，比之转靶X射线发生器的特征谱的亮度10E11高出三四个数量级。

高亮度的光强可以做空前的高分辨率（空间分辨，角分辨，能量分辨，时间分辨）的实验，这些都是用常规光源无法完成的的，还有同步辐射发散角小，光线是近平行的，其利用率，分辨率均大大提高；另外还有时间结构、偏振特性，有一定的相干性和可准确计算等等。

正因为有以上各种优点，它在科学、技术、医学等众多方面解决了一批常规实验室无法解决的问题，做出了重大贡献，世界各国特别是发达国家对此都十分重视，纷纷建立了自己的同步辐射实验中心。

另外还有印度、巴西、西班牙、加拿大、荷兰、瑞士、泰国、新加坡等国家均建有同步辐射光源实验室。

我国的同步辐射事业是从20世纪70年代末北京正负电子对撞机（BEPC）的建造开始的，起初是为高能物理研究而设计的，在1984年的一期工程期间决定一机两用，同时开展同步辐射的应用，这是第一代的同步辐射装置，称为北京同步辐射装置（BSRF）。

BSRF于90年代初建成，它是电子能量为2.2Gev的中能环，产生硬X射线，建设了一些使用硬X射线的实验站，如X射线吸收光谱，荧光光谱，衍射，白光形貌，小角散射，漫散射站等，另外包括光电子能谱，光刻站，软X射线谱站等，经多年发展还建造了高压站，计量标准站等，最近正在建造并已部分完成了生物大分子、中能X光站，并进行了部分线站的调整和重建，出色地完成了一批实验室设备不能完成的工作。

但缺点是因为要进行高能物理实验，不能按同步辐射的要求进行运转，而且实验机时受很大限制，一年只有3个月左右的用光时间，远不能满足用户的需求。

中国科技大学提出并在1983年获国家批准建设一台800Mev的低能第二代同步辐射源开始的。

此装置不能产生硬X射线，是一个VUV环。

该装置于20世纪90年代初建成，称为国家同步辐射实验室（NSRL）。

1992年开始为用户服务，有光电子能谱，光化学，光刻，软X射线谱及时间分辨五个实验站。

1999年成功安装运转了一台6T的扭摆器，可以发生最短到0.1nm的硬X射线衍射站，建成后将大大提高该装置的实验能力。

但由于是低能环，硬X实验站不多，有局限性，目前正在进行二期工程扩建。

因为北京和合肥的同步辐射装置都各有自己的缺点，中央和上海市政府准备在上海市建一个第三代的同步辐射装置，能量高达3.5Gev，可达到世界先进水平。

我国除上述装置以外，在台湾新竹还建有一个低能的1.3Gev的第三代同步辐射装置。

上海光源位于浦东张江科技园区

上海光源光束线站辐射防护棚屋安装

上海光源直线加速器隧道

上海光源实验大厅，顶部为两台吊装设备的行车

上海光源实验室设备安装现场 

上海光源实验室机柜安装现场

上海光源实验台架

上海光源加速器

上海光源设备吊装现场 

内部管路

上海光源液氮储气罐 

上海光源BL15U1线站样品处荧光靶上9keV的非聚焦X射线光斑

上海光源自主研制的首台真空波荡器在储存环上安装就绪

上海光源螺旋形顶棚

台湾新竹科技园区的同步辐射中心（SRRC）建造历时10年，于1994年启用，耗资28亿元新台币，拥有13亿电子伏特能量的同步辐射加速器光源。

欧洲同步辐射加速器，位于法国东南城市格勒诺贝尔，是世界上首座第三代同步辐射加速器。

欧洲12个国家于1988年达成协议，共同投资建造，共耗资2.2亿法郎。

该加速器于1994年开始启用，主要由一个线性加速器（右图）、周长300米的同步加速器和周长844米的电子束储存环组成，被加速的电子束在储存环中经过磁结构谐振器的振荡，发出大量高精度的光束。

该加速器的输出光线初建时有12条，现在发展到40条，电子束能量为60亿电子伏特。

每年申请前来利用同步辐射进行各种应用科学研究的科学家多达6000人，但只有2000人获准。

日本 的Spring-8是目前世界上能量最高的同步辐射光源，能量高达80亿电子伏特，可以产生硬X射线光束。

位于日本神户附近的兵库县（HyōgoPrefecture）的播磨科学园HarimaScienceGardenCity）内，也称“高辉度光科学研究中心”。

1988年10月，日本理化所和原子力研究所成立了联合机构，负责大型同步辐射装置Spring-8的设计和建造。

1990年12月成立了日本同步辐射研究所（JASRI）。

美国布鲁克海文国家实验室（BrookhavenNationalLaboratory，简称BNL）的国家同步辐射光源（NationalSynchrotronLightSource，简称NSLS）分为两个储存环，小环称为真空紫外环，建于1984年，约有25条光束线，主要提供紫外、可见、红外及部分X光。

大环称为X光环，建于1986年，约有60条光束线，产生比真空紫外环能量更高的X光。

NSLS每天24小时运行，可同时进行80个以上的不同的实验，每年为400多个学术界、工业界和政府研究机构的2500名科学家提供重要的科研手段。

他们无数的研究项目每年大约出650篇论文，其中有125篇以上的论文刊登在主要的学术杂志上。

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