.国家同步辐射实验室（合肥）[J].中国科学院院刊,2012,(Z2):10-15.
国家同步辐射实验室（合肥）
国家同步辐射实验室（合肥）
同步辐射是速度接近光速的带电粒子在作曲线运动时沿轨道切线方向发出的电磁辐射，又叫同步光。它会使粒子失去能量，曾给卢瑟福的类太阳系原子结构模型带来困难。1947年，它在电子同步加速器中被首次观察到，因而被命名为同步加速器辐射，简称同步辐射。
与常规的光源相比，同步辐射有许多突出的优点。它的频谱宽阔、连续、平滑（从X射线、紫外、可见光一直延伸到红外），利用单色器可从中选取所需的任何波长的光；它有很好的方向性，光能集中，亮度比普通光源高千倍至百万倍以上；同时它还具有偏振性、脉冲性时间结构、高稳定性、高真空的洁净环境、频谱可准确计算等优异特性。光是人类认识自然的最基本的工具，同步辐射是唯一的频谱范围如此宽阔的优质光源，被广泛应用于凝聚态物理学、原子和分子物理学、化学、医学、材料科学、生命科学、环境科学、能源科学、信息科学、超细微加工和辐射计量学等众多领域，几十年来硕果累累。正因为如此，同步辐射光源是目前世界上数量最多的大科学装置，它作为多学科公用实验平台，在现代科技发展中的重要地位为科学界所公认。
同步辐射的应用研究始于20世纪60年代，此后大体上经历了3个发展阶段，因此现有同步辐射装置习惯上按主要特征分为3类：以高能物理实验为主的兼用光源称为第一代光源；以利用弯转磁铁产生的同步辐射为主的专用光源为第二代光源；主要利用插入元件尤其是波荡器产生辐射的高亮度光源为第三代光源。按光子能量分类则可分为X射线光源和真空紫外（指紫外线高能波段）光源两种，后者的频谱包含软X射线。不同类别的光源各有特色，互为补充，相得益彰，恰当的配合可使其能力得到最高效的发挥。
同步辐射通过光束线从储存环中导出，然后凭借精密的光学元件选取合适的波长和带宽并适当聚焦后送入实验站。科研人员在实验站测量同步辐射与样品相互作用后的信号（如反射、衍射、散射、透射光谱，或样品原子被光子激发后释放的电子、离子、荧光等）来研究物质的结构特性，探索微观世界的奥秘。
装置概况
20世纪70年代末，中国科技大学率先提出在国内建设电子同步辐射加速器的建议。1983年4月，作为第一个由国家全额投资兴建并维持运行的国家级实验室，中国科技大学国家同步辐射实验室由原国家计委批准立项。实验室建设工程总投资8 040万元人民币，1984年11月破土动工，1989年出光，1991年12月通过国家验收。相应的同步辐射装置称为合肥光源，当时建有5条光束线和实验站，属于第二代真空紫外光源。
合肥光源的电子束由电子枪产生，经直线加速器加速达到200MeV的能量，再通过束流输运管道进入储存环。储存环周长66.13m，由许多弯转磁铁和直线段组成。电子在储存环中被再次加速到800MeV后作稳定的回旋运动，同时在弯转磁铁中发出特征波长约为2.4nm（属于软X射线）的同步辐射。
1997年，原国家计委批准“国家同步辐射实验室二期工程”立项，总投资1.18亿元人民币，主要内容是新建1台波荡器、增建8条光束线及相应的实验站，并保证光源的长期、可靠、稳定运行。二期工程是“九五”期间启动的国家大科学工程之一，于1999年5月正式开工建设，2004年12月通过国家验收。二期工程的胜利完成使合肥光源的运行和实验研究水平上了一个新台阶。
实验室历经一期、二期国家重大科学工程建设，现拥有14条光束线和实验站，其光谱范围覆盖X射线到远红外波段。自2005年至2011年底供束4万多小时，接待境内外160多所高校和科研院所的用户近3 000人次，完成了1 400多个用户研究课题，近500篇博士生论文课题完成实验，共发表1 000多篇SCI收录论文，其中一系列重要成果发表在Science、Nature、PNAS、JACS、Phys. Rev. Lett.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Lett.等国际著名杂志上。实验室曾荣获国家科技进步奖一等奖、中科院科技进步奖特等奖和安徽省高校科技进步奖等奖项，为我国基础研究和国防建设做出了重大贡献。
重点研究领域
国家同步辐射实验室的科研目标以真空紫外和软X射线波段的同步辐射应用为主，重点研究领域包括：
纳米研究
围绕纳米科学领域的前沿科学问题和国家重大需求，发展多种同步辐射纳米探针技术，在极端条件和/或外场作用下，高分辨、原位、动态地研究纳米材料的结构、性能、制备和作用过程及其相互关系，实现新型纳米功能材料的研发、改性、创造。
研究纳米材料的成核与生长机制，实现其可控制备；研究纳米材料的相变机理，指导其性能调控；研究量子限域效应、界面和表面效应、动力学行为等，揭示纳米材料的物理原理；研究纳米材料的三相复合界面，为能源、环境、生物等综合交叉领域提供新思路；研究纳米-生物界面相互作用及治疗机理，为纳米药物的研发和重大疾病的治疗提供理论指导；研究纳米材料的生物功能表达，研发仿生纳米器件。
量子调控研究
围绕量子调控领域的前沿科学问题，发展前所未有的超精细分辨平台，多方位揭示复杂体系的新奇量子现象和机理，构建电子态“基因组”，实现新型复杂体系的量子调控制备和性能设计。
发展极高能量、角度、时间、空间分辨、自旋极化、原位角分辨光电子能谱技术，以百微电子伏特的能量分辨率研究关联电子体系的电子能量和在百微电子伏特能量尺度研究关联电子体系的超精细电子结构和层展效应，开拓磁相变等新的研究方向和量子体系；发展极高分辨光电子显微镜技术，从化学态的分辨飞跃到对物理上细微电子态变化的分辨，可以研究强关联体系的本征相分离和不均匀性；发展相干散射技术，直接实时观察动态行为，如磁畴演化、动态相分离、玻态演化等；探测极微弱信号，使超导磁通阵及蠕动、电子空间调制等成为可能。
生物细胞结构和功能研究
围绕生命科学尤其是细胞学领域的前沿科学问题，研究在各种病因作用下组织、细胞病变的发生、发展和结构形态的变化，为解析细胞器官形态变化与生命活动和疾病的关系、揭示重大疾病过程细胞三维解剖形貌与功能变化的关系提供手段，为提出细胞结构组学工程奠定基础。针对细胞学中的关键问题，发展同步辐射新理论、新方法和新技术，解决含水真核细胞无损三维成像、重大疾病诊断及纳米药物治疗等重点问题。
新能源和环境科学研究
围绕能源与环境等领域的国家重大需求，对太阳能及其他清洁能源、超燃、核能材料、太空极端条件材料、水和大气污染治理等进行概念创新、可控制备和性能调控。深入研究能量转换、传输和存储的化学物理动态过程，显著提高太阳能及其他清洁能源的能量利用效率；开展新型替代燃料的燃烧动力学模型研究，为新型燃料的发展以及能源的清洁高效转化提供理论指导；获得表面吸附和反应的动力学信息、捕捉反应中间体，从而了解催化反应的机理，揭示表面化学动力学过程以及催化剂吸附和反应机制，实现新型能源和环境材料的可控制备和性能调控；研究水体中污染物和矿物、微生物间的相互作用以及焚烧过程中污染物产生机理，提高水和大气等环境的污染防治能力。
研究成果
实验室瞄准国际前沿和国家需求，凝练科学目标和研究领域，致力于发展同步辐射新方法新技术，着力于发展特色领域的高水平用户，加强与国际高水平研究团队的合作，在基础研究和应用研究方面取得了一系列重大成果，解决了其他技术难于解决的关键基础科学问题。
（1）大连化学物理所杨学明院士研究组利用波荡器高亮度真空紫外光束“发现玻恩-奥本海默近似在氟加氘反应中完全失效”，在量子水平上观察到化学共振态, 解决了30多年来化学研究中一个悬而未决的国际公认难题。研究成果于2007年8月发表在Science上，并入选“2007年中国十大科技进展新闻”；
（2）自行设计、研制了多套燃烧诊断平台，结合同步辐射与分子束质谱，发展了燃烧诊断新方法，在原子和分子层面上进行燃烧研究，取得了一系列重要进展。首次在火焰观测到重要中间体——烯醇；首次在模拟发动机点火过程中探测到系列过氧化物，《自然.中国》作为研究亮点进行了报道；系统研究了生物质燃料的燃烧，其中一篇论文[Combust. Flame，148，198(2007)]被评为2007年度“中国百篇最具影响国际学术论文”；系统研究了航空替代燃料的燃烧，为高超声速飞行器研制提供指导；
（3）南京大学微结构国家实验室（筹）研究组利用合肥同步辐射软X射线磁性圆二色实验站，在SiC-水复合体系材料研究的基础上，研究纳米SiC复合发光材料，取得了一系列的重要突破，对生物医学工程和药物研发以及全彩色显示技术都具有重要意义。相关研究成果2010年发表在国际纳米科技权威期刊Nano Letters，并被《自然》子刊《光子学》杂志评为研究亮点：
（4）发展了同步辐射液相反应、高温、低温原位等装置，利用同步辐射X射线吸收谱学技术、成像技术等研究了Au和CdSe纳米颗粒的液相生长动力学，智能节能材料VO2相变机理，超导材料Sr2VFeAsO3的电荷转移，磁性纳米环结构Ag1.2V3O8结构、形成机理及磁性起源等，相关研究成果已在Phys. Rev. Lett. 、J. Am. Chem. Soc. 、Adv. Funct. Mater. 、Angew. Chem. Int. Ed.等材料领域的顶级期刊上发表；
（5）发展同步辐射谱学新技术和新方法（BioXAS），与上海瑞金医院陈竺、陈赛娟院士课题组和北京同步辐射装置合作，成功解析了三氧化二砷-癌蛋白PML端的“锌指”结构，为治疗白血病提供了结构信息；首次用现代科学手段揭示中药的分子作用机制，将促进我国科学家对祖国传统医学宝库进行深入探索和挖掘。相关研究成果发表在Science 上；
（6）提出简便、快捷和低辐射剂量的同步辐射X射线相位衬度CT成像技术，可以对轻元素构成的生物软组织获得很高的成像衬度，并能解决和现有医学X射线CT技术结合的难题。相关研究成果发表在PNAS上，被PNAS审稿人誉为“X射线成像发展近20年来的重大进展”，是未来X射线成像重要的发展方向之一。该论文被评为2010年度“中国百篇最具影响国际学术论文”。
（7）利用同步辐射X射线纳米三维成像技术，成功地在室温、空气环境下对运用化学法制造的“几何明星”凹陷Escher型硫化铜十四面体微晶进行了三维成像，直观地揭示了传统的形态和结构分析技术难以解析的凹陷Escher型微晶结构。相关论文发表在Appl. Phys. Lett. 上，并被《自然.中国》作为研究亮点加以报道；
（8）“嫦娥一号”首次飞行任务携带的8大载荷之一——“太阳风离子探测器”的紫外光抑制性能测试与探测器标定工作在合肥光源光谱辐射标准和计量实验站上完成。
发展规划
21世纪科学的重点从观测物质向操控物质转移，真空紫外同步辐射光源在崭新的物质操控时代必将发挥重要且不可替代的作用。合肥光源是一台低能同步辐射装置，优势波段集中在红外、真空紫外及软X射线波段，可用于研究和操控价电子的状态和行为及动力学过程等，与上海和北京中高能光源形成优势互补。为此，实验室制定了发展路线图：（1）通过重大维修改造项目，在2013年将现有光源改造成为国际同类光源最好水平的装置；（2）建设储存环光源类型中最先进的真空紫外和软X射线波段同步辐射光源，成为世界先进的同步辐射研究中心；（3）为新能源和环境材料、量子调控、生物医学成像、纳米科技等前沿学科领域提供世界领先的研究平台。
通过上述努力，国家同步辐射实验室将建成世界先进的红外－真空紫外－软X射线波段的同步辐射中心、国家交叉科学研究中心及人才培养基地，为广大用户在以上波段做出世界一流的成果提供前所未有的研究机遇。
