合肥同步辐射装置


科学背景

同步辐射是速度接近光速的带电粒子在做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,同步辐射有诸多突出的优点。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;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;同时还具有偏振性、脉冲性的时间结构、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、信息科学技术、超细微加工和辐射计量学等众多领域。正因如此,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,探知微观世界的奥秘。

概况

合肥同步辐射装置(简称"合肥光源",HLS)坐落在安徽合肥中国科学技术大学西校园,是我国第一台以真空紫外和软X射线为主的专用同步辐射光源,其主体设备是一台能量为800MeV、平均流强为300mA的电子储存环,用一台能量800MeV的电子直线加速器作注入器。HLS由我国第一个国家实验室--国家同步辐射实验室负责运行。

同步辐射原理
建设历史

20世纪70年代末,中科大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支持运行的国家实验室--中科大国家同步辐射实验室(NSRL)由原国家计委批准立项,其拥有的同步辐射装置称为合肥光源(HLS)。

1997年,原国家计委批准"NSRL二期工程"立项,主要内容是在机器主体长期、可靠、稳定运行并大幅提高光源积分流强、亮度和稳定性的基础上,新建1台波荡器插入元件,增建8条新光束线和相应的实验站。该工程是"九五"期间启动的国家大科学工程之一,二期工程的胜利完成使HLS的运行和实验研究水平上了一个新台阶。

2009年12月,为向用户提供更好的实验条件,中科院和中科大决定共同投资,对HLS进行新一轮重大升级改造。主要内容是新建直线加速器和储存环,采用先进的加速器物理设计,将HLS提升到准三代光源水平,达到国际同类装置的先进水平。重大升级改造项目已于2014年12月29日通过中科院组织的工艺验收。升级改造后的HLS特色更加鲜明,与北京、上海光源形成优势互补,在真空紫外-软X射线能区发挥不可替代的作用。

HLS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。

装置现状

HLS的电子束由电子枪产生,经直线加速器加速达到800MeV的能量,再通过束流输运管道进入储存环。储存环周长66.13m,由多个插入元件、弯转磁铁和直线段组成。电子在储存环中作稳定的回旋运动,同时发出同步辐射光。

升级改造后,HLS首批建成燃烧、软X射线成像、原子与分子物理、催化与表面科学和角分辨光电子能谱(ARPES)等5条光束线及实验站,并将在2015年恢复安装红外谱学和显微成像、质谱、计量、光电子能谱、软X射线磁性圆二色(MCD)等5个弯铁光束线和实验站。此外还为未来发展预留了4条光束线站的空间。

线站分布图

HLS加速器主要性能指标

HLS升级改造后首批5条光束线及实验站主要性能指标

与改造前相比,HLS储存环束流发射度由160nm.rad大幅降低至38nm.rad;束流轨道稳定性由100μm降低到4μm,接近三代同步辐射光源水平;可用于安装插入元件的直线节数目由3个增至6个;储存环上插入元件数目增至5台。改造后的HLS加速器的总体性能和光束线、实验站的性能较改造前均有显著提升。

科学研究和开放共享

HLS面向国家战略需求和前沿基础科学研究,为国内外众多学科领域提供独特的大型综合交叉研究平台,重点发展能源高效利用、节能材料、大气环境、纳米科技、量子调控、物质与生命交叉等前沿学科领域的前沿课题研究,同时围绕电子加速器前沿科学和用户需求,开展先进光源物理和关键技术研究。

通过大科学装置建设,NSRL建立并发展了具有自身特色的技术研发体系,在国内独立自主地研发了一系列关键技术,形成了系统的技术积累,促进和提升了我国原始创新能力和相关工业领域的技术水平。

NSRL不断发展同步辐射新技术和新方法,坚持开展光束线站改进和新实验方法研究,提高自身研究水平;积极宣传、发展潜在高端用户,实施特色用户组织计划,充分调动国内外同步辐射和多个学科领域的科学家,准确及时地把握同步辐射前沿,做出优秀成果。

自2005年至今,HLS总供束约52000h,接待境内外160多所高校和科研院所的用户4300多人次,完成了2100多个用户研究课题以及500多篇博士生论文课题实验,共发表SCI论文1500多篇,其中一系列重要成果发表在ScienceNaturePNASJournal of the American Chemical SocietyPhysical Review Letters等国际著名杂志上。

近年来,NSRL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,解决了其他平台难于解决的关键基础科学问题。

低维材料的生长机理和构效关系

中科大微尺度物质科学国家实验室谢毅教授研究组,与NSRL密切合作,充分发挥NSRL X射线吸收精细结构(XAFS)谱学技术的优势,在研究低维纳米结构与形貌的调控过程、无机半导体原子级厚二维结构实现显著增强的光电解水性能和热电性能等前沿领域开展了一系列合作研究,取得了重要成果。系列工作发表于Nature Communications,J.Am.Chem.Soc.,Angew.Chem.Int.Ed.上。

操纵Pt纳米颗粒还原反应的初期成核及形貌调控
氧分子活化晶面效应

中科大熊宇杰教授课题组与NSRL研究人员合作,利用X射线吸收精细结构谱,发现了金属晶面对于氧分子的活化具有重要调控作用。氧分子中的电子自旋态是影响很多化学与生物体系中物种活性的关键。该项突破性的进展,有助于促进癌症光热疗材料设计的发展,对于阐明有机化学界在氧化反应中广泛使用金属催化剂的原理具有重要意义。此工作发表在Journal of the American Chemical Society上,被美国Chemical & Engineering News进行了题为"Select Nanocrystal Facets Activate O2"的报道。

氧分子在不同钯晶面上的活化行为差异示意图
氮原子在氮掺杂碳催化材料中的作用

为了弄清不含金属的N掺杂的石墨烯基催化材料具有优良催化活性的原因,北京大学化学与分子工程学院马丁教授课题组在软X射线磁性圆二色实验站对该反应体系进行了准原位XAS研究,发现在催化过程中,N原子促进了C原子上氧化C-H键活性氧物种C-O-O-H或C-O-C的生成。这一研究结果对于确认此类催化剂催化C-H键活化的活性位和反应机理具有重要的指导作用,该项研究发表在Angew.Chem.Int.Ed.上。

DFT理论计算模型及各类碳原子态密度分布
拓扑绝缘体表面态调控

上海交通大学钱冬研究员课题组利用角分辨光电子能谱实验站,研究了以Bi2Te3为衬底的Bi双层系统。角分辨光电子能谱实验以及能带计算表明,界面诱导的Bi双层中的狄拉克态和Bi2Te3中的狄拉克态之间发生杂化,表现出与石墨烯类似的谱行为,而在以Bi2Te3为衬底的Bi双层系统中,这种杂化没有发生。这两个体系中狄拉克点的行为截然不同,这种差异可能来源于其中的多体相互作用。该研究成果率先在拓扑绝缘体中观察到狄拉克锥附近的复杂多提相互作用,为拓扑表面态的调控提供了新的方法。研究成果发表在PNAS上。

Bi/Bi2Te3的能带结构
太阳能转化功能材料

通过太阳能光解水的"人工光合作用"将太阳能转换为清洁的氢能,被认为是21世纪解决化石能源危机最有效的途径之一。有效提升光电催化剂的可见光量子转换效率是该领域内的核心问题,也是促进太阳能光解水制氢技术工业化应用需要解决的关键问题。国家同步辐射实验室研究团队利用同步辐射X射线吸收谱学(XAS)技术研究了低维纳米光电催化剂材料的原子局域结构和电子结构,明确了表面结构扭曲对材料内部光生载流子迁移路径的影响规律,在解决低维金属氧化物纳米功能材料的光解水应用方面取得了重要进展。该成果极大地丰富了人们利用能带工程来改善光解水可见光量子效率的认识,为进一步调控氧化物半导体光催化剂水分解性能提供了新思路。研究成果发表在Nature Communications上。

Fe2TiO5-TiO2的形貌结构与构效关系示意图
交流与合作

NSRL积极开展国内外合作交流,邀请国内外在加速器及同步辐射应用研究领域有着深厚学科背景及国际影响力的知名专家来访,积极开展创新性研究工作,进行有效的合作与交流。

NSRL与中科院合肥物质科学院、中国工程物理研究院、上海光源、中科院高能物理所、中科院近代物理所等国内单位开展了一系列合作。与意大利、法国、德国等国的相关高校和研究机构建立和保持了长期合作关系,逐步提高NSRL的国际影响力。

在加强知名专家请进NSRL的同时,NSRL鼓励研究人员积极走出去,拓展眼界、提高知名度,多人次受邀在国际大会上做邀请报告。

2011年,NSRL与中科院高能物理所联合主办第15届X射线吸收精细结构谱学国际会议。

2012年,NSRL与欧洲核子研究中心(CERN)签署了"CERN强子对撞机系统和HLS双方准直测量合作研究协议"。

2012年,来自德国的应用化学专家、国际燃烧学会主席、德国科学院院士、德国科学与人文委员会委员凯瑟琳娜.科瑟-赫英郝斯教授被邀请在人民大会堂参加外国专家代表座谈会并受到了中共中央总书记习近平的接见。

2013年,NSRL主办及联合主办了第五届同步辐射代表大会暨学术年会、真空紫外与X射线物理(VUVX)2013国际会议、燃烧化学研究前沿国际研讨会、第一届全国表面物理化学学术研讨会、2013年中意双边会议等学术会议。

2014年,NSRL朱俊发教授及其合作伙伴德国专家JorgMichaelGottfried获得中科院青年科学家国际合作伙伴奖。

2014年,NSRL承办了全球华人物理和天文学会第八届加速器学校。

学科建设及人才培养

NSRL是中科院博士生重点培养基地,教育部博士生创新中心"和"创新计划实践基地",985工程"科技创新平台,其拥有的"核科学与技术"学科是国家一级重点学科,具有"核科学与技术"工学硕士与博士学位一级学科学位授予权。

2009年,依托HLS和托卡马克两个大科学装置,中科大与中科院合肥物质科学院联合共建"核科学技术学院",形成了本-硕-博完整的教育体系,进一步推动了"核科学与技术"学科的发展。2012年教育部学位与研究生教育发展中心对全国一级学科整体水平进行评估,中科大"核科学与技术在全国排名第二。

NSRL多年来致力于培养基于大科学装置交叉学科的领军人才,并优先服务于国内重大科技基础设施的建设。现每年招收研究生约60人,目前在校研究生250余人,2014年毕业硕士100人,毕业博士68人。多年来,NSRL向国内众多高校和研究所输送了大批优秀人才,并培养了一批活跃在国际加速器及同步辐射领域的专家。

发展规划

科学的发展使得获得功能信息需要在小尺度(nm)、超快(fs)和极高能量分辨(mV)的条件下进行实验测量,同时针对量子态的构筑与调控需要高压、强磁场、超高温等极端条件。因而综合高性能先进光源的极高亮度、极低发射度,同时兼具时间、空间、能量、动量超高分辨等特性,再与超高温、超高压、强磁场等极端条件相结合形成一个大型综合实验设施,是电子结构-量子态的探测和调控研究不可替代的必要工具,也必将成为重要科学技术产出的有效平台。

2014年12月,中科院决定,依托合肥同步辐射、全超导托卡马克和稳态强磁场等大科学装置,正式成立中科院合肥大科学中心。其使命和定位是建设和运行国际先进的低能量区同步辐射光源、强磁场和核聚变大科学装置,形成开放、共享、联用的大型科技创新平台,国际一流的综合性大科学研究中心和我国大科学装置建设与科学应用的创新人才高地。

作为中科院合肥大科学中心的重要组成部分,HLS正面临着前所未有的机遇和挑战。

科学中心将通过高效的体制机制,全面提升装置集群运维、研发、开放服务水平,集聚高水平用户队伍、培养高层次人才。与此同时,也对装置的性能提出了更高的要求。

国家重大科技基础设施建设中长期规划(2012-2030年)明确指出:"适时启动高性能低能量同步辐射光源建设,满足以纳米空间分辨率、皮秒至飞秒时间分辨率、极高能量动量分辨率对材料多层次结构分析研究的需求,逐步形成布局合理的国家光源体系"。

为此,NSRL提出合肥先进光源(Hefei Advanced Light Source,HALS)的建设规划。HALS为第四代光源,是衍射极限储存环。HALS束流品质极高,在横向相干性和亮度方面接近于同一波段的激光光源,同时还可与现有激光光源作用和耦合,是探测和操纵物质与能量的理想平台。其他关键部件如超高温、超高压、强磁场等都将能够模拟非常极端的条件,能够满足多重应用需要。

HALS建设指标国际领先,将为我国高水平用户做出具有世界影响的原创性成果,创造前所未有的机遇,为合肥大科学中心朝着国家综合科学中心的方向迈进提供有力支撑!