合肥光源的發(fā)展歷程及展望

文/王占東（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室）

攝影/李紅兵

一、引言

同步輻射，即速度接近光速的帶電粒子在作曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)沿軌道切線方向發(fā)出的電磁輻射，亦稱作同步加速器輻射，于1947 年在電子同步加速器中被首次發(fā)現(xiàn)。與常規(guī)的光源相比，同步輻射具有優(yōu)異的性能：光譜連續(xù)可調(diào)，覆蓋了從遠(yuǎn)紅外到X 光波段的寬廣的光譜范圍；在X 射線波段，比常規(guī)X 光源高出1010數(shù)量級(jí)以上，達(dá)到了極高的光源亮度；光源的發(fā)散角在毫弧度量級(jí)，因而準(zhǔn)直性得到高度保證；同步輻射光作為一種準(zhǔn)連續(xù)光，其偏振度也遠(yuǎn)高于常規(guī)光源。

同步輻射光覆蓋的電磁波譜范圍包括遠(yuǎn)紅外光、可見光、真空紫外光、軟X 射線以及硬X 射線，在空間尺度上這些波譜范圍與現(xiàn)代科學(xué)廣泛關(guān)注的原子、分子、細(xì)胞等研究對(duì)象大致相同。憑借其頻譜范圍廣、光源品質(zhì)極高等優(yōu)勢(shì)，同步輻射光源自其發(fā)明以來一直是各國(guó)科學(xué)研究和技術(shù)創(chuàng)新的旗艦大科學(xué)裝置，不僅是物理、化學(xué)、生命、材料等眾多學(xué)科不可替代的研究工具，也是糧食與資源、生命與健康、能源與環(huán)境、信息與材料、深海深空深地等高技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的科創(chuàng)平臺(tái)，已成為各國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和科學(xué)中心核心能力的體現(xiàn)和投資方向。

二、 合肥光源的發(fā)展歷程

1. 立項(xiàng)建設(shè)階段（1983—1991年）

1983 年4 月8 日，原中華人民共和國(guó)國(guó)家計(jì)劃委員會(huì)（以下簡(jiǎn)稱“原國(guó)家計(jì)委”）下發(fā)了《關(guān)于建設(shè)國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室的復(fù)函》，正式批準(zhǔn)籌建我國(guó)第一個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室——國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室，計(jì)劃建成一臺(tái)能量為0.8 GeV、平均束流強(qiáng)度為100～300 mA 的電子同步輻射加速器及相應(yīng)的設(shè)施，即合肥光源。項(xiàng)目選址落定中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)。

1988 年，國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室的土建部分基本完工；1989 年4 月，合肥光源首次調(diào)試出光；1991 年8月，光束線實(shí)驗(yàn)站的安裝調(diào)試工作完成，同年9 月開始用整機(jī)調(diào)試，并開展加速器物理等實(shí)驗(yàn)研究工作，至此，國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)目標(biāo)已基本完成。1991 年12 月26 日，國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室建設(shè)工程順利通過了原國(guó)家計(jì)委組織的驗(yàn)收。

2. 二期工程建設(shè)階段（1998—2004 年）

1996 年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)關(guān)于建設(shè)國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室二期工程的申請(qǐng)獲得國(guó)家科技領(lǐng)導(dǎo)小組批準(zhǔn)，擬新建1 臺(tái)波蕩器插入元件，增建8 條新光束線和相應(yīng)8 個(gè)實(shí)驗(yàn)站。1999 年4 月，二期工程正式開工，經(jīng)過4 年努力，2003 年11 月，合肥光源首次實(shí)現(xiàn)束流300mA。2004年12 月14 日，國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室二期工程順利通過由國(guó)家發(fā)展與改革委員會(huì)組織的驗(yàn)收。

3. 重大升級(jí)改造（2010—2014年）

2010 年起，國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室“重大維修改造項(xiàng)目”工程正式啟動(dòng)，其主要建設(shè)目標(biāo)是將儲(chǔ)存環(huán)直線節(jié)數(shù)目增至8 個(gè)，將束流發(fā)射度降至40 納米弧度，實(shí)現(xiàn)直線加速器的滿能量注入。2014 年12 月完成工藝驗(yàn)收并投入試運(yùn)行，2016 年1 月正式通過驗(yàn)收。重大維修改造項(xiàng)目在現(xiàn)有硬件條件的限制下，通過先進(jìn)的物理設(shè)計(jì)將合肥光源裝置性能提升至極致，實(shí)現(xiàn)國(guó)際先進(jìn)光源通用的恒流運(yùn)行模式，大幅提高了整體性能，使合肥光源在真空紫外能區(qū)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步加強(qiáng)，擴(kuò)大了我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究在國(guó)際舞臺(tái)的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

三、 研究成果及發(fā)展規(guī)劃

1.研究成果

合肥光源是我國(guó)自主建設(shè)的第一個(gè)專用同步輻射光源，其優(yōu)勢(shì)能區(qū)為真空紫外和軟X 射線波段，主要面向先進(jìn)功能材料、能源與環(huán)境、物質(zhì)與生命科學(xué)交叉等領(lǐng)域的研究，為我國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)及基礎(chǔ)應(yīng)用科學(xué)提供先進(jìn)的研究平臺(tái)。自20 世紀(jì)90 年代以來，在長(zhǎng)期的運(yùn)行開放中，國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室解決了先進(jìn)功能材料、能源與環(huán)境、生命科學(xué)等領(lǐng)域的一系列重要的科學(xué)問題，在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》《自然》中皆有重要研究成果發(fā)表；面向我國(guó)的重大戰(zhàn)略需求，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒、煤化工能源轉(zhuǎn)化、先進(jìn)薄膜材料、大光柵技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器定標(biāo)與傳遞等領(lǐng)域，做出了開創(chuàng)性的研究工作。曾先后榮獲中國(guó)科學(xué)院科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)、國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)、國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)以及中央軍委、安徽省等設(shè)立的眾多獎(jiǎng)項(xiàng)。與此同時(shí)，國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室開放運(yùn)行30 多年來，為國(guó)內(nèi)外加速器和同步輻射光源等領(lǐng)域研究培養(yǎng)了大量骨干人才。

2. 發(fā)展規(guī)劃

目前，國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室正在規(guī)劃建設(shè)一臺(tái)世界領(lǐng)先的第四代新光源——合肥先進(jìn)光源（HALF）。HALF 的規(guī)劃能量為2.2 GeV 左右，發(fā)射度不高于100 皮米弧度；優(yōu)勢(shì)波段為真空紫外和軟X 射線，并且在軟X 射線波段具有高度的相干性。HALF 有望在“十四五”期間立項(xiàng)建設(shè)，它的建設(shè)將完善我國(guó)的先進(jìn)光源體系，實(shí)現(xiàn)我國(guó)高中低能區(qū)先進(jìn)光源全覆蓋，成為世界上綜合性能最先進(jìn)的低能區(qū)第四代光源，將加速我國(guó)在5G 通信、新能源、大健康、量子材料等基礎(chǔ)研究和國(guó)家戰(zhàn)略需求領(lǐng)域取得重大突破，作為創(chuàng)新源頭引導(dǎo)芯片、新型顯示、新能源汽車等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新鏈集聚，助力安徽“芯屏器合”制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略。HALF 還將與穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)、全超導(dǎo)托卡馬克等形成大科學(xué)裝置集群，一起助力合肥成為國(guó)際一流、面向國(guó)內(nèi)外開放、具有世界影響力的綜合性國(guó)家科學(xué)中心。

回溯歷史，展望未來。在新的歷史時(shí)期里，國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室也將承擔(dān)新的使命，深耕細(xì)作、砥礪前行，奮力推進(jìn)世界領(lǐng)先的第四代同步輻射光源建設(shè)，為國(guó)內(nèi)外廣大用戶提供一個(gè)更完善、更先進(jìn)的科研平臺(tái)，助推我國(guó)同步輻射事業(yè)更上一層樓。