輻射裝置設計

❶ 北京同步輻射裝置的應用與發展

作為多學科共同應用中心的同步輻射裝置
在當代的科技發展中，學科交叉與科學-技術在新的層次上的結合佔有越來越重要的地位，導致了許多重大的突破和新的科研領域的誕生。前者可以生物-醫學科學的一些重要發展（如DNA的雙螺旋結構）為例，而掃描隧道顯微鏡則是後者的一個很好的例子。可以預期，學科間高度的交叉與融合將是下一個世紀科技發展的特徵。如果對此沒有充分的認識，那將會嚴重影響我國下一世紀的科技發展。以下我將以同步輻射在生物-醫學科學中的應用作為例子來說明這點 。
在世界上過去二十多年中發展起來的同步輻射中心提供了一個多學科交叉與科學-技術結合的自然的場合。例如，在這里，生物-醫學科學家已經成功地開辟了許多新的領域：生物分子及蛋白晶體的結構分析、活的生物體在器官、細胞、細胞核以及分子水平上的結構分析、葯物篩選、非插入的雙色數字減除法心血管造影，在活的細胞中化學元素的三維拓撲構像等。這些都是生物-醫學家和物理學家、化學家、計算機科學家與工程師緊密合作的成果。目前世界各國正在大力發展的第三代同步輻射光源的出現，使得這些領域從基本上是靜態的、結構的研究開拓到動態的、功能性的研究成為可能。而這些方面將會是下一個世紀的生物-醫學科學的研究重心。這樣就出現了一個在以前難以想像的現象，就是在一些結構生物學研究中心裡，非生物背景的研究人員的數目不下於有著生物背景的。在一些新建成的同步輻射中心裡，來自生物界的研究申請占首位，但是在最初，生物-醫學科學家卻是不習慣於離開他們自己的實驗室到像同步輻射中心那樣的多學科交叉的環境中工作的。這種中心的先進的工作條件及其獨特的工作環境的重要性，將在下一世紀的科技發展中會越來越明顯地為人們所認識。
同步輻射在工業生產領域中帶來的新機遇
同步輻射在工業生產領域中帶來了一個巨大的新機遇：微機械的大規模的加工技術——LIGA技術。
高科技的發展，已經把微機械加工提到日程上。例如，光纖光纜通訊技術的發展，要求能夠由工業大批量生產具有微結構的光纖芯耦合器，以取代目前手工或半手工的操作。這種工業就屬於微機械加工業。
現代的微機械加工是指寬度為幾個到幾十個微米、高度為幾十到幾百微米的機件的加工，它的第一個主要特徵是高寬比（aspect ratio）大，為幾十以上；它的第二個主要特徵是有著生產集光、機、電性能於一體的微系統的潛力。微機械產品正在被應用到越來越廣泛的領域中，例如，微馬達和微照明燈具已被應用於非剖開性的人體內部外科手術，微米結構的同位素分離噴咀已被用於核燃料鈾的富集生產中。目前，微機械加工是一門正在成長的、具有巨大前景的新工業，將會成為下一世紀的一門主要的工業，應當引起我國的高度注意。
當前正在發展的微機械加工技術有多種，但就大規模生產與高度的適應性而言，80年代中在德國發展起來的LIGA技術，在國際上被認為是微機械加工的一個最有前景的新方向。
LIGA是德文Lithogrsphie（光刻）、Galvanoformung（電鑄成型）和Abformung（塑鑄成型）三個字的字頭，它由深層同步輻射光刻、電鑄成型及塑鑄成型這三個工藝過程組成。所以准確的名稱為微機械加工的同步輻射深層光刻、電鑄成型與塑鑄成型技術，簡稱為LIGA技術。在原理上LIGA技術與全息記錄的大規模復制（例如，激光唱片生產）有點相仿，第一步是用光刻的方法在光刻膠上刻出微機械或微器件的三維結構，第二步是通過電鑄從光刻膠三維結構上產生金屬母模，第三步是用母模通過電鑄或塑鑄方法復制許多金屬的或其它材料的生產用模，最後一步是用生產用模作大規模復制。
LIGA技術中的光刻工藝與微電子工業所用的光刻工藝是很不相同的。微米級微電子器件的刻蝕深度不大於幾千埃，刻出的結構的高寬比小於1，所以也稱為平面的光刻，所使用的光源的波長在可見光到紫外光的范圍便已足夠。與之對比，LIGA技術中的光刻的深度要到千倍以上，故此也稱為立體的光刻。要增加刻蝕深度，必須使用波長比紫外光短得多的X光。如果要做幾十到幾百微米深度的光刻，所使用的光應是波長在2-10埃之間的X光。
對於深層光刻所使用的X光源的性質，除了波長之外，還有兩個重要的因素，就是光的功率密度和準直性。它應當有足夠大的光功率密度和足夠好的準直性，前者是為了曝光的需要，後者是為了保證製作出來的微機械結構的垂直面具有優異的平行度。目前的軟X光光源，有用輕元素為靶的常規X光源，聚焦激光打靶形成的等離子體產生的軟X光以及同步輻射光源。第一種光源功率小，第二種光源目前達到的波長在100埃以上。兩種光源都屬於點光源，光的準直性都不好，而且兩種光源的功率密度都不足以在合適的時間內使厚的光刻膠層曝光。最適合於深層光刻的光源是同步輻射光源。
目前國際上普遍認為，LIGA技術是大規模微機械加工的一個極重要的方向，有著巨大的發展前景。最新的報道為用LIGA技術生產出可植入人體的微型電機，其直徑只約為1mm，厚度為1.9mm，重量為0.1g，轉速為10萬轉，直徑細如發絲的齒輪的精度達微米的量級。這是一個說明科學與新技術結合給工業帶來的巨大的新機遇的例子，通過它可以看到下一個世紀科學技術發展的特徵，這就是學科間高度的交叉與融合。對此，不但科學家，而且產業界和規劃人員必須予以高度重視，否則我國科技界將與許多新發明和新發現失之交臂，也無法實現在我國建立起一個有著世界上領先水平的產業界的局面。
同步輻射中心作為一種特殊模式的大科學設施
20世紀科學發展的一個重要特徵是大科學的出現，而且，大科學設施的規模與建造的投資有越來越大的趨向，絕大多數的大科學設施的建造與運行是由國家支持的。為了得到公眾的支持，一個必須回答的問題是：進行基礎研究的大科學設施，它們對於生產力的發展有何影響？對於多數大科學來說，可以用如圖所示的線性模式來說明它們的影響，即，在大科學設施上進行的基礎科學研究支持應用基礎的發展，應用基礎的發展最終在工業中的應用將影響生產力的發展。經驗告訴我們，這種影響常常是一個漫長的過程。
如果按計算機的術語說，上面的線性模式是串列輸出的模式的話，相反地，在同步輻射設施上這三類活動是同時進行的，亦即作為大科學裝置的同步輻射設施對基礎科學、應用基礎與工業應用的關系如圖3所示，是並行輸出的。正是由於這個特點，在世界上有條件的國家中，同步輻射設施的建造都得到優先的支持。
我國是否應當及能否建造第三代同步輻射光源
我國是否應當建造第三代同步輻射裝置？
在讀了上面的介紹後，回答是當然的：是！因為它是促進下一個世紀科技發展的一個十分重要的手段。
我國是否能夠建造第三代同步輻射裝置？
第三代同步光源對工程技術的要求是苛刻的。以美國伯克萊的ALS為例，在其波盪器里的電子束的截面是橢圓形的，水平方向的長度是335μm，而垂直方向的長度僅65μm，相當於一根頭發的直徑。實驗上要求電子束流有很高的穩定性，穩定到其截面尺度的十分之一。反映在安裝精度上，這就要求在安裝在周長近200米的近200個各類的二極、四極等磁鐵的中心對設計位置的偏離小於150μm；對於波盪器的要求更高：在其5米的長度上，每個磁極的位置安裝精度好於20μm，而且這個精度在40噸的磁力作用下仍能保持！其他對磁鐵的加工精度、電源的穩定度、地基的抗振能力、磁場分布的精度等等的要求，同樣都是相當苛刻的。在這些精度都達到後，還需要有巧妙的電子束流監控系統，隨時監測電子束流的位置並給以必要的校正，以保證束流位置的穩定。
雖然這些技術都是當前的尖端技術，但是都屬於成熟的技術，只要有精密機械加工的保證和在設計、測試、安裝等方面的嚴格把關，這些苛刻的指標都是能夠達到的。所有已經投入運行的5個裝置的建造經驗都證明了這點。我國在建造北京和合肥兩個同步輻射裝置中已經有了一支有實踐經驗的科技隊伍，只要領導得當，有足夠的支持，是完全能夠勝任的。
同步輻射是對科技發展起十分重要作用的一種先進手段，同步輻射中心是獨一無二的為最眾多學科服務的研究中心，是一個各學科交叉、融合的天然場合，其重要性已為世界上廣大的科技界所認識，並得到各國政府的大力支持。改進及提高我國已建成的同步輻射設施的效能，並建造一個最先進的同步輻射中心，將對下一世紀我國高科技發展起關鍵性的推動作用。

❷ 國家同步輻射實驗室的工程進展

20世紀70年代末，中國科學技術大學在國內率先提出建設電子同步輻射加速器。1977年同步輻射裝置的建造列入全國科學技術發展規劃。1978年春中科院決定成立以中國科學技術大學為主的同步輻射加速器籌備組，並於當年三月在合肥召開了第一次籌備工作會議，討論了我國建造電子同步輻射加速器的初步方案，象徵著我國同步輻射事業的正式啟動。
在隨後幾年的預研製過程中，工程人員製成了一段30MeV的電子直線加速器、一塊彎轉磁鐵、一塊四極磁鐵及一個儲存環的超高真空系統，以及物理設計，取得了良好的結果和第一手的經驗，為後面的工程打下了堅實的基礎。
1981年10月，中科院在合肥召開了「合肥同步輻射裝置預研製及物理設計審定會」，會議認為合肥同步輻射裝置已基本進入工程的條件。
1983年，國家計委以計科1983年470號文《關於建設國家同步輻射實驗室的復函》批准了在中國科學技術大學籌備國家同步輻射實驗室，國家同步輻射實驗室正式立項。這是國家計委批准建設的中國第一個國家級實驗室。
1984年，國家計委以計科（外）1984年2033號文《關於合肥同步輻射實驗室擴初設計的批復》批准了該工程的主體工程建設規模為建造一台能量為8億電子伏的同步輻射光源及相應的實驗設施，總投資5990萬元（含350萬美元），並列入按合理工期組織施工的國家重點項目。
國家計委批準的國家同步輻射實驗室擴初設計中確定了電子儲存環的能量為800MeV、平均流強為100～300mA，用一台能量為200MeV、脈沖流強為50mA的電子直線加速器作為注入器。並明確與加速器建設的同時，建造5條光束線及5個實驗站，它們分別是：光電子能譜光束線實驗站、分時光譜光束線實驗站、軟X射線顯微術光束線實驗站、X射線光刻光束線實驗站。
1988年，國家同步輻射實驗室的土建工程基本完工。
1989年3月加速器的所有部件都已安裝就位並經過局部和分系統的調試，同年4月開始聯調，25日開始注入儲存環，僅經過23小時便得到第一個儲存束流。
1989年光束線實驗站開始安裝，1991年8月完成所有光束線實驗站的安裝調試工作，同年9月開始用同步光進行調試，並開展實驗研究工作。
1991年12月22日至23日，由國家科委組織，王淦昌任主任的鑒定委員會對合肥同步輻射加速器及光束線實驗站進行技術鑒定。鑒定委員會認為由我國自行設計、研製建成的合肥同步輻射加速器的主要性能指標已達到國際上同類加速器的先進水平，已建成的五條同步輻射光束線和五個實驗站的主要性能指標已基本達到國際水平。
1991年12月26日，國家同步輻射實驗室工程順利通過了國家計委組織的國家驗收。國家驗收委員會高度評價國家同步輻射實驗室工程的建設者們圓滿地完成了工程建設任務。
1993年4月，NSRL正式對國內外開放，建有6條光束線和6個實驗站，可廣泛用於開展物理、化學、材料科學、生命科學、信息科學、力學、地學、醫學、葯學、農學、環境保護、計量科學、X射線光刻和超微細加工等基礎研究和應用研究。
1994年2月，由錢臨照、唐孝威兩位院士發起，王淦昌、謝希德、謝家麟、馮端、盧嘉錫等34位院士聯合向有關部門提出《關於集中力量全面建設、充分利用合肥國家同步輻射光源的建議》，中國科技大學也正式向國家有關部門提出建造國家同步輻射實驗室二期工程（簡稱二期工程）的申請。
1996年，國家科技領導小組批准二期工程作為「九五」的首批國家重大科學工程項目之一啟動。國家計委分別以計科技1997年557號文和1503號文對二期工程項目建議書和可行性研究報告批復中國科學院，同意以中國科技大學為依託建設「國家同步輻射實驗室二期工程」國家重大科學工程項目，總投資11,800萬元人民幣。
1997年4月8日，國家計委批復了NSRLII項目建議書（計科技（1997）557號文）。
1997年8月29日，國家計委批復了可行性研究報告（計科技（1997）1503號文）。
1998年7月8日，國家計委批復了初步設計報告（計投資（1998）1301號文）。
1999年4月15日，國家發展計劃委員會以計投資1999年416號文《國家計委關於國家同步輻射實驗室二期工程開工建設的批復》同意二期工程開工建設。 二期工程的技術目標是：在充分保證機器主體長期、可靠、穩定運行，大幅度提高光源積分流強、亮度和穩定性的基礎上，新建1台波盪器插入元件，增建8條新光束線和相應8個實驗站。竣工後，合肥光源的潛力得到更充分的發揮，將作為性能優秀、穩定可靠、部分指標相當先進的中低能區同步輻射光源，長期處於國際上同類裝置的一流水平。
1999年，NSRLII完成了水冷系統冷卻塔的更新改造，空調系統熱交換器等附屬設備投入運行，輻射場監測系統通過調試開始試運行。加速器各子系統改造的主要元件及樣機研製與測試多已順利完成並通過了驗收。注入系統完成了沖擊磁鐵磁塊分組測試、脈沖電源組裝、陶瓷真空盒部分測試。儲存環真空系統、電源系統的環主電源、控制系統的相關控制軟體、高頻系統的新高頻機、束測系統的部分組件、波盪器單磁塊測量系統等改造或研製均已完成。
1999年12月12日，來自中科院高能所、物理所、電工所、上海同步輻射裝置、清華大學、復旦大學的9位教授、研究員組成的專家組，對6萬高斯超導扭擺磁鐵及XAFS光束線、站進行了技術鑒定。會議聽取了研製報告、測試結果報告，審閱了全部資料，並進行了現場考察。專家組認為：6萬高斯超導扭擺磁鐵是一項技術復雜的項目，在我國是首次研製，其綜合性能在國際同能區的裝置中已居領先地位。該扭擺磁鐵安裝調試成功，使工作能區擴展到硬X射線領域，具有重要的科學意義。XAFS線、站的主要性能均達到設計指標，光束線的解析度和光斑的穩定性達到國際上同類裝置的水平，提供用戶使用後獲得了良好的實驗結果。
1999年12月19日，NSRL第二屆用戶委員會第一次會議在合肥召開。會上宣讀了經中科院批準的新一屆用戶委員會名單，簡要介紹了二期工程的進展情況、實驗室現狀和下年度用光計劃。委員們肯定了NSRL為用戶做的工作，針對用戶管理方面存在的一些問題，提出了可行的建議。
2000年，3月20日打開儲存環真空，開始安裝與之相連的大部分設備和所有光束線的前端，4月中旬封閉。光束線前端於5月安裝到位。儲存環真空恢復順利，各前端的真空性能均達到指標要求，通過了工程內部驗收。新建的LIGA光束線安裝就位，通過了離線調試驗收。
2001年，運行質量比改造前大幅度的提高。環的主磁鐵電源、注入系統電源等新設備的故障率很低，真空系統改造、新光束線前端等通過了運行的考驗。5月超導Wiggler投入運行，為NSRLII的兩條用X射線的光束線對光，LIGA站進行了首次調試和試運行，獲得了深達1毫米的深度光刻製品（右圖）。下半年，高頻腔完成機械加工；注入系統長直線段的沖擊磁鐵已製成；波盪器加工已完成，磁場測量與調整的初步結果令人滿意。大部分電源已驗收，控制系統的改造與之配合進行。光束線站的非標加工基本完成。除已就位的LIGA線外，其他七條光束線的機械測量(粗)、真空調試、安裝就位等工作正全面展開。八個實驗站中的四個的主體設備已經初步安裝到位。其他各站也進展順利，重要的非標部件的加工基本完成。公用設施改造的大部分已完成並投入使用。
2002年5月，NSRLII儲存環束流閉軌校正系統投入運行並取得良好效果。其三個主要組成部分：束流閉軌位置測量系統、校正鐵系統和相關的控制系統功能正常。該系統能很好地滿足機器運行和研究的需要。
2002年7月15日，長約2.7米的波盪器UD-1通過專家測試。來自中科院高能物理所、中科院上海原子核所和中國科技大學等單位的專家對NSRLII新建波盪器UD-1的磁場性能指標進行了測試。現場測試結果與原測數據一致，重復性很好。UD-1是中國大陸建成的第一台儲存環中以產生高亮度同步輻射的波盪器。其磁間隙變化范圍大，測量長度長，磁測指標多、數據多，調試測量的工作量和難度都很大。測試組認為，UD-1調試測量數據完整，性能優良，各項指標均已達到設計要求，主要指標優於設計要求。
2002年，環高頻系統10月完成安裝，真空系統改造基本完成，工程進入聯合調試、試運行階段。X射線衍射與散射線站通過了專家測試開始試運行。表面物理、光譜輻射標准和計量、原子分子物理等線的光學元件完成安裝，開始光路的初步調試。
2003年1月16日，NSRLII光聲、光熱實驗站設計方案調整專家審定會在合肥舉行。專家組由南京大學聲學研究所張淑儀院士（組長）、復旦大學同步輻射研究中心的張新夷教授、復旦大學生命科學學院的季朝能副教授、中科院基礎局的陳勛遠研究員和中國科技大學物理系的方容川、施朝淑教授、化學系的蘇慶德教授以及生命科學學院吳季輝教授組成。專家們聽取了該實驗站方案調整內容以及調研結果。專家組認為：NSRLII建設方案已充分考慮了滿足真空紫外圓二色光譜實驗站的要求，在工程進行中盡快調整方案是必要的，也是合理的，應集中力量建立真空紫外圓二色光譜及光聲光譜實驗研究方法，並建議光熱偏轉光譜可不作為二期工程驗收內容，條件成熟時再開展這方面工作。
2003年3月13日，NSRLII新注入系統通過束流調試。3月4日打開環真空更換陶瓷真空室組件，3月13日開始帶束聯調並成功儲存束流。四塊沖擊磁鐵能實現良好匹配，勵磁電流可加足設計值，最高積累束流流強曾達210mA。注入系統改造是NSRLII的關鍵子項目之一，也是難點之一。在2002年10月的調試中，束流極難儲存。經過多方試驗、觀察測量和分析，並與高能所、上海核所、日本KEK的專家討論，判斷是陶瓷真空室金屬鍍膜偏厚，造成磁場時間滯後不均，並制定了改進關鍵工藝、嚴格控制質量、加強半成品檢測、抓緊進度等措施。由於判斷准確，措施得當。陶瓷真空室組件的加工僅用兩個多月就順利完成。各項技術指標皆符合物理設計要求。
2004年3月14-16日，NSRLII通過了中科院組織的加速器及光束線專家測試會。測試組由來自上海應用物理所、北京高能物理所、蘭州近代物理所的10位專家組成，陳森玉院士擔任組長，趙振堂、夏佳文、夏紹建研究員擔任副組長。測試期間，測試組專家審定了工程指揮部提交申請報告，確定了總體工藝綜合測試指標和參數，分成8個小組對加速器改造項目和光束線部分的12個子項工藝的測試方法、測試手段和自測結果進行了審定，並對他們的主要性能指標進行了復測。測試組專家認為：NSRLII已測的加速器改造項目通用運行模式滿足同步輻射用戶的基本需求，可投入運行。12條光束線和實驗站可提供同步輻射用戶使用。
2004年5月27-28日，中科院基礎局組織專家組對NSRLII進行了院級工藝鑒定。鑒定組由魏寶文院士擔任組長，陳森玉院士、陸坤權研究員擔任副組長的11位專家組成。專家們聽取了工程建設報告和分管加速器改造、光束線建設、實驗站建設報告；聽取了陳森玉院士宣讀的工藝測試報告；查閱了工程指揮部提供的專家測試組測試結果；並現場觀察了裝置運行情況。鑒定組確認了專家測試組提交的測試結果，積極評價NSRLII取得的成績。改造後的裝置技術水平提高到新的高度，運行流強300毫安，束流平均壽命大於8小時；超導扭擺磁鐵(Wiggler)運行時，全部14條光束線可同時引出同步輻射光。所有新建實驗站皆已基本具備向用戶開放的條件，滿足大多數同步輻射用戶的基本需求，建議在國家驗收後將盡快投入運行。
2004年12月14日，NSRLII正式通過了由國家發展和改革委員會委託中科院主持的國家驗收。驗收委員會聽取了工程建設報告、專家測試報告、工藝鑒定報告和預驗收意見，查驗了工程現場，查閱了文件、檔案資料。經過認真、仔細的審查，驗收委員會認為：國家同步輻射實驗室通過二期工程建設，提高了裝置技術水平，擴大了實驗應用領域，基本完成了國家發展和改革委員會(原國家計委)批準的建設目標，同意NSRLII通過國家驗收。
2005年5月12日，NSRLII齊飛研究組與美國、德國的科學家合作，首次在實驗中發現了一系列的碳氫化合物氧化過程的重要中間體－烯醇，其研究成果以Science Express形式發表在5月12日出版的國際權威的學術刊物《科學》雜志上。國外的一些媒體在第一時間作了相關報道。《科學》雜志審稿人認為這是一項非常有意義而且很有趣的工作。這一研究工作由美國、中國、德國五個研究小組共同參與，中國科學技術大學國家同步輻射實驗室作為第三參與單位。實驗工作在美國勞倫斯伯克利國家實驗室的先進光源和NSRLII完成。
2005年8月4-7日，NSRLII2005年度用戶年會在安徽天柱山召開。來自國內外高等院校、科研機構和企業共計45家單位的136位代表參加了會議。會議聽取了工程竣工驗收後的整體工作、運行和開放情況的報告。美國斯坦福大學沈志勛教授、日本廣島大學喬山教授、加拿大同步輻射裝置T.K.sham教授，以及中科院大連化物所包信和所長、中科院生物物理所所長饒子和院士、中科院物理研究所周興江研究員、中科院北京高能所胡天斗研究員、中科院上海應物所何建華研究員應邀做了精彩報告，分別介紹了各自的科研成果及相關領域研究的最新進展。各實驗站工作人員與用戶進行了交流、討論，聽取了各線、站用戶對用光機時申請、課題發展方向和實驗技術方法等方面的意見和建議。會議期間，選出了新一屆用戶專家委員會，成員由來自13個科研機構的29人組成。委員會主任楊學明（中科院大連化物所）、副主任吳自玉（中科院高能所）、周興江（中科院物理研究所）、封東來（復旦大學），秘書長高琛。
2005年11月19-20日，NSRLII在合肥舉行了發展方向國際研討會，探討NSRLII在真空紫外、軟X射線和紅外領域所面臨的重大科學問題、所具備的優勢和發展戰略等問題。來自法國SOLEIL同步輻射實驗室、日本分子科學研究所、日本廣島大學、美國加利福尼亞大學、中科院物理研究所、中科院大連化學物理研究所、中科院上海技術物理研究所、中科院武漢物理與數學研究所、中科院化學所、清華大學、復旦大學、吉林大學、中國科學技術大學等國內外13個高校、研究所的19位知名專家學者參加了會議。會議聽取了相關領域專家對各自學科前沿重大科學問題的分析和利用NSRLII解決其科學問題的設想，重點是真空紫外光化學光物理過程、強關聯體系的軟X射線共振散射和生命或材料科學中的紅外光譜顯微。專家認為，NSRLII已初步具備了開展這些前沿研究的基本條件，通過與用戶的緊密合作，有針對性地重組、改進和完善現有的實驗條件、實驗技術和方法即可開展這些重要的工作，為我國的基礎研究提供一個高水平的研究平台。專家建議優先考慮建立一個軟X射線波段的波盪器（unlator），補充真空紫外光束線實驗站的條件。
2005年12月14日，利用X射線散斑法研究弛豫鐵電體PMN-PT的極化團簇結構取得進展。中科院上海應用物理所邰仁忠課題組與NSRLII科研人員合作，利用NSRLII高亮度X射線光源在X射線衍射與散射實驗站上用散斑技術觀察到PMN-PT鐵電單晶中納米極化團簇隨溫度和外電場的變化情況。馳豫鐵電體是應用很廣泛的一類功能材料，這類材料優異的機電性能一直被認為源於PbTiO3母體中摻雜陽離子所形成的電極化團簇。然而，人們對極化團簇的理解基本上來自理論計算或一些間接的實驗結果，尚無電極化團簇的直接實驗證據。
2005年12月21-23日，NSRLII通過了中科院組織的現場評估。由中科院高能物理所、蘭州近代物理所、上海應用物理所和中科院物理所相關專家組成的專家組對NSRLII改造完成後一年來的運行情況進行了現場評估，專家組組長由陳森玉院士擔任。專家組聽取了工作匯報，分為加速器、光束線站及用戶開放兩個小組進行現場考察，並調閱運行記錄、進行現場測試，對運行及管理工作進行了深入的了解，對NSRLII的整體運行、開放、用戶管理、人才培養及取得的科研成果予以充分肯定。專家組認為：「經二期工程改造後，合肥光源的運行水平得到了較大和明顯的提高。除發射度和軌道穩定性外，性能（流強和壽命）接近世界同類光源SRC，CAMD水平」。但由於不具備相應的測試手段，個別敏感出光口是否達到垂直位置漂移30微米穩定性難以定量測量。建議今後應注重改善軌道的穩定性；提高年供光時間（年積分流強）和降低自然發射度，以滿足用戶需求，並真正達到世界先進水平。專家組給出了《加速器部分現場檢查意見》和《光束線站現場檢查意見》兩個分組報告及《現場檢查的了解和建議》總體報告。
2006年3月29日，中科院微電子所在NSRLII光刻站上利用X射線光刻技術成功研製出最外環寬度為150nm的高線密度鈦特徵線微聚焦波帶片，並實現了波帶片圖形特徵尺寸的精確控制，其高寬比達到6.7:1。在X射線波段，各種材料的折射率都近似等於1，無法構造出類似於可見光波段的「透鏡」，只能採用波帶片來實現對X射線的聚焦。為了滿足X射線光學的需求，微聚焦波帶片的最外環必須是大高寬比的深亞微米、納米圓環，因此這種波帶片的製作難度非常大。該研究結果充分證明了在國家同步輻射實驗室光刻站上進行大高寬比深亞微米、納米X射線光刻的可行性。
2006年5月29日，NSRLII的軟X射線磁性圓二色（XMCD）實驗站通過加偏置電壓消除外磁場的影響，成功實現了外磁場下MCD的測量。磁性的起源一直是自旋電子學器件應用的關鍵。傳統磁滯測量無法給出各個元素對磁性的貢獻，只能得到總效應。利用同步輻射XMCD技術可以將X射線能量精確定位在某個元素的共振吸收處，選擇性地研究該元素對磁性的貢獻，這對理解復雜材料體系磁性的起源意義重大。由於外磁場對樣品出射電子干擾較大，大部分基於同步輻射軟X射線磁性圓二色（XMCD）的實驗站均無法在加磁場下進行MCD測量。
2006年8月10-15日，NSRLII第一屆運行年會在安徽屯溪召開。來自海峽兩岸科研院所共計6家單位的56位代表參加了會議。會議聽取了NSRLII改造運行、NSRL05-06同步輻射應用研究進展的報告。特邀高能所陳延偉研究員、上海應用物理所閻和平研究員、蘭州近物所夏佳文研究員和台灣新竹光源許國棟博士分別介紹了各自大科學裝置的運行情況和最新進展。
2006年8月16-20日，NSRLII2006年度用戶年會在安徽黃山召開。來自國內外高等院校、科研院所共計38家單位的105位代表，以及中科院基礎和國家自然基金委等有關領導參加了會議。會議向與會代表匯報了NSRLII近期發展規劃、機器運行匯報和用戶開放的情況。會議邀請日本Hiroyuki Oyanagi教授、加拿大Peiqiang Yu教授、台灣楊耀文和李裕新教授、物理所麥振洪和李晨曦教授、復旦大學封東來教授、高能所吳自玉教授、浙江大學李宏年教授做了精彩報告，介紹了各自的科研成果及相關領域研究的最新進展。其中近半報告是近一年來利用NSRLII取得的較有影響的研究成果。會議期間，用戶專家委員會討論和審批了一批NSRL用戶課題，評議了實驗室開放運行工作、對實驗室的發展提出了建議和意見。會議期間還召開了真空紫外研討會，對國家同步輻射實驗室的發展方向、近期目標和重點解決的問題等進行了研究和探討。
2007年4月5日，NSRLII新建Unlator真空紫外光束線及實驗站建設成功。該束線利用波盪器產生的真空紫外輻射，光子能量范圍7.5-18.0 eV，平均光子強度1x1013光子/秒，能量分辨E/DE約1000。該波段高次諧波嚴重，抑制非常困難，是世界上真空紫外光束線研究的重點。新束線採用三級差分的氣體濾波器，成功抑制了高次諧波，抑制效率99.99%，達到了世界先進水平。研究人員已在新建實驗站上，利用紅外激光解析結合同步輻射單光子電離技術研究了生物小分子、有機分子、葯物分子等，取得了一些實驗結果。
2007年7月22日-25日，NSRLII2007年度用戶年會在大連化學物理研究所召開。來自國內外高等院校、科研院所共計26家單位的105位代表參加了此次會議。會議對了解國際同步輻射應用研究領域最新進展、促進國內外同行交流合作、了解用戶需求起到了積極的促進作用。
2007年7月24日，NSRLII發展規劃研討會在大連召開。中國科學技術大學黨委書記郭傳傑，中科院計劃局、基礎局有關領導，中國科學技術大學有關領導，實驗室用戶專家委員會委員和部分用戶代表，以及實驗室主任伍灼耀、執行主任盛六四、副主任高琛和實驗部主要學術骨幹、線站負責人參加了研討會。會議聽取了實驗室發展規劃報告，從實驗室的定位和發展目標、歷史和現況、國內外發展趨勢、重點研究領域、光源建設和需要的保障措施等七個方面闡述了實驗室在前期調研、籌劃和研討的基礎上初步形成的發展規劃設想。與會代表展開了熱烈的討論，從NSRL的特色出發，面向國家戰略發展和國際前沿科學的需求，強調有所為和有所不為的原則，提出了認真總結現存問題、調整重點研究領域布局、盡可能提高現有裝置的水平等很多有益意見和建議。
2007年8月12日-17日，NSRLII運行年會在山東日照召開，會議總結了一年來了機器運行和開放情況，與北京高能所、蘭州近物所、上海應物所等兄弟單位的特邀代表進行了學術交流和研討，與會代表對進一步提高合肥光源的運行質量提出了很多有益的建議。
2007年11月，NSRLII在教育部「985」二期工程支持下新建的X射線成像實驗站完成了安裝調試，空間解析度達到50納米，其分辨能力達到國際先進水平。實驗站具有吸收襯度、相位襯度成像和三維成像等功能，可用於表徵納米/亞微米材料，觀察細胞和組織的內部結構和形貌變化，在細胞、植物和污染物的內部進行元素定位等，為納米材料、環境科學和生物醫學等提供了一種先進的實驗手段。
2008年1月，擔任合肥同步輻射國家實驗室用戶專家委員會主任的中科院大連化物所楊學明研究組的成果「發現玻恩―奧本海默近似在氟加氘反應中完全失效」入選2007年中國十大科技進展。該項研究成果中的部分重要數據在合肥同步輻射國家實驗室原子與分子物理實驗站上獲得。
2008年3月，NSRLII齊飛教授領導的研究組利用低溫等離子體放電技術完成了對星際等離子體環境的模擬，並在醇類物質的等離子體放電過程中探測到一系列的烯醇類物質，揭示了烯醇類物質作為一類重要星際物質的可能性。實驗結果發表在天文學科頂級期刊《天體物理學雜志》(The Astrophysical Journal 676,416(2008))上。4月，該課題組又有三篇論文正式被《國際燃燒會議論文集》(Proceedings of the Combustion Institute)接收，並將於2008年8月初在加拿大蒙特利爾召開的第三十二屆國際燃燒會議（目前燃燒學界檔次最高的國際性會議）上進行宣讀。入選的三篇論文分別對乙炔、乙基苯和硝基甲烷的低壓預混層流火焰進行了深入的研究。《國際燃燒會議論文集》匯集本學科兩年來的前沿成果，是燃燒研究領域最著名的雜志之一。這三篇論文的入選是繼2005年關於火焰中烯醇探測的文章在Science上發表後，該課題組在燃燒研究領域取得的又一重要進展。
2008年6月，合肥微尺度物質科學國家實驗室納米材料與化學研究部俞書宏教授、NSRLII田揚超研究員及其合作者利用NSRLII的X射線納米三維成像技術，成功地在室溫、空氣環境下對運用化學法製造的『幾何明星』凹陷Escher型硫化銅十四面體微晶進行了三維成像，直觀地揭示了該凹陷Escher型微晶由四個相同的六角形的板通過相互交叉構築成具有14個腔洞（其中包括6個正方形和8個三角形）的結構。與傳統的形態和結構分析技術如透視電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡相比，X射線納米三維成像技術具有更直觀解析復雜形態納米結構的優點。相關論文發表在《應用物理快報》（Appl. Phys. Lett. 92, 233104(2008)）上，並被《自然·中國》(Nature China )選為來自中國大陸和香港的突出科學研究成果，在2008年6月的『Research Highlights』（研究亮點）欄目中以「Nanotomography: Crystal clear」為題並附圖介紹了該工作。
2008年9月，合肥國家同步輻射實驗室的用戶—中科大化學系環境工程實驗室俞漢青教授研究小組，利用同步輻射微細加工技術首次制備了一種新型微電極。該課題組利用這個微電極成功測定了好氧硝化顆粒中溶解氧的微區分布，並進行了定量分析，對於其中生化反應機理進行了探討。實驗結果對於微生物顆粒的培養與廢水處理具有一定的指導意義。該研究結果已有2篇論文發表在環境學科頂級期刊《環境科學與技術》Environmental Science & Technology 上(41,5447(2007)和42,4467(2008))，還有1篇論文已被該刊物接受。

❸ x射線的發生裝置(球管)包括哪幾個結構

X射線是怎麼產生。簡單講，X射線一般都是通過在真空中使用高壓加速電子撞擊靶面產生的(同步輻射除外)。高速電子撞擊靶面產生X射線的主要成因為受激輻射和軔致輻射兩種。受激輻射主要是高速電子撞擊靶面激發原子的k層電子，其他高能級的電子躍遷到k層而產生X射線，該效應產生的輻射我們一般叫特徵輻射。而軔致輻射是指高速電子撞擊原子核導致強烈減速，減速過程損失的能量以X射線方式釋放出來，該效應有時候我們也叫做剎車輻射(電子強烈剎車)。歸根到底，主要還是把電子的動能轉化為X射線。我們知道原子其實是很空的，實際上真正能起作用產生X射線的電子很少，一般在百分之一左右，大部分的能量都轉化為熱量了。

好了，說了這么多我們怎麼設計一個用燈泡產生X射線的實驗？我們先了解醫用的X射線設備產生X射線的核心裝置球管，也叫X線管。圖1圖2為球管管芯，是不是跟一個白熾燈燈泡也很相近，都同樣有燈絲與玻璃罩。但球管的管芯多了一個靶面，大功率的球管還有旋轉陽極，圖1圖2 就是大功率球管的管芯。一些小功率的球管是沒有旋轉陽極跟定子等的，就只有一個固定的靶面。

鋪墊了這么多，那麼既然我們知道白熾燈與球管管芯的差別在於少了一個靶面，那我們人為給白熾燈加一個靶面，那不就是一個產生x射線的管芯了嗎？是這個么一個道理，但是還有些地方要注意的，其一，X射線管的管芯一般都是高度真空的，因為如果管芯內部有氣體，在給管芯加上高壓後，會容易導致球管釋放電弧打火，尤其在高電壓大電流的情況下更嚴重，嚴重的會損壞管芯導致球管報廢。我們日常所接觸到的白熾燈，據網上消息說，40w以上的一般會填充有氣體，40w以下的，才有可能是真空的。當然，一般的白熾燈燈泡的真空度也是遠達不到球管管芯的真空度的，但是我們在低點功率的情況下實驗，理論上不一定會有打火現象的發生，但是電子在燈泡內加速的過程，可能會撞擊到氣體分子，導致產生X射線的效率降低。其二，燈泡是沒有靶面的。醫用球管的靶面一般為金屬鎢或者鎢錸合金，有些低kv的球管如乳腺機球管等則會用到鉬靶或者銠靶。由圖3 可知道鉻、鐵、鈷、鎳、銅等的k層電子特徵輻射波長比較大，意味著要激發k層電子產生X射線所需的能量比較低，相對來說在低kv的條件下用這些材料作為靶面產生X射線的效率要高一些。我們這次採用銅片作為靶面。

是我們本次用白熾燈產生X射線的基本原理圖，原理圖很簡單。一個電源給白熾燈燈絲供電，使得鎢絲溫度升高後電子在高溫鎢絲周圍形成電子雲，電子更容易掙脫鎢絲束縛被高壓加速撞向銅靶面。另一個電源給高壓模塊供電，高壓模塊大約能產生50kv的電壓。本次實驗的所有材料包括：

1、白熾燈燈泡 6v 20w

2、高壓模塊 50kv 18w

3、一節18650電池、一個實驗電源、銅片、一個輻射檢測儀等為本次所有實驗的最終接好燈泡、電源、高壓模塊的圖片。燈泡由一節18650電池供電，一直通著電。高壓模塊由實驗電源供電。高壓模塊輸出負極接燈絲，正極接銅片並放在燈泡玻璃的正前面。因為燈絲比較粗，這里為了實驗效果好一點，我加了一片銅箔接著高壓模塊的負極並包在燈泡的底座，使燈絲電子的聚焦。接下來我們一起看實驗吧。

從實驗過程看，接上高壓後，環境輻射從我房間的0.16uSv/h增加到最高8.90左右，超出了默認的0.5的安全范圍，輻射更是達到了環境本地輻射的55倍左右，輻射檢測儀一直在bb響。理論上，應該是很大可能產生了x射線。

至於輻射劑量，因為我所採用的高壓模塊功率最高就18W，電壓為50kv，而且時間也很短，比起大型醫療設備動輒幾十kw的功率，輻射應該還是會在安全范圍，短期做實驗是不會有什麼輻射安全問題的。