美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室（Brookhaven National Laboratory，簡稱BNL）的國家同步輻射光源（National Synchrotron Light Source，簡稱NSLS）分為兩個(gè)儲(chǔ)存環(huán)，小環(huán)稱為真空紫外環(huán)，建于1984年，約有25條光束線，主要提供紫外、可見、紅外及部分X光。大環(huán)稱為X光環(huán)，建于1986年，約有60條光束線，產(chǎn)生比真空紫外環(huán)能量更高的X光。NSLS每天24小時(shí)運(yùn)行，可同時(shí)進(jìn)行80個(gè)以上的不同的實(shí)驗(yàn)，每年為400多個(gè)學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和政府研究機(jī)構(gòu)的2500名科學(xué)家提供重要的科研手段。他們無數(shù)的研究項(xiàng)目每年大約出650篇論文，其中有125篇以上的論文刊登在主要的學(xué)術(shù)雜志上。

用戶因利用NSLS同步輻射光開展既新穎又影響大的研究獲得了應(yīng)得的榮譽(yù)（右圖為NSLS的光束線）。圍繞NSLS光源，各種各樣獨(dú)一無二和富有成果的科研人員已經(jīng)成長起來。NSLS提供的廣泛光子能量范圍吸引了許多領(lǐng)域里的研究人員聚集在一個(gè)比較緊湊的環(huán)境里開展工作，促進(jìn)了在其他情況下不可能的合作。在BNL和NSLS的鼓勵(lì)下，這一科研群體從美國東北部的科技部門吸納了許多人才，不斷得到壯大。

NSLS成為世界上建設(shè)第三代光源的起點(diǎn)，之后建設(shè)的許多同類裝置在它的布局基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，加入了更多的部件和插入件，最后的技術(shù)性能超過NSLS。經(jīng)過20年的不斷改進(jìn)，NSLS的性能實(shí)際上已達(dá)到極限。保持和提高NSLS用戶的積極性和用戶的數(shù)量，需要繼續(xù)提供能夠滿足它們現(xiàn)在和將來科學(xué)上的需要。認(rèn)識(shí)到這一事實(shí)，迫使NSLS提出研制一種超過其本身的新裝置，提供更高的平均亮度和通量。這一新的裝置被稱為NSLS-II，它將保留構(gòu)成現(xiàn)行NSLS研究特點(diǎn)的跨學(xué)科性質(zhì)，同時(shí)提供新的能力以滿足用戶的進(jìn)一步要求。通過開發(fā)和建造新的最先進(jìn)的中能儲(chǔ)存環(huán)，利用其在世界上最先進(jìn)的性能同時(shí)為許多用戶服務(wù)，就可最佳地實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。 

計(jì)劃中的NSLS-II是個(gè)最先進(jìn)的中能電子儲(chǔ)存環(huán)（3 GeV），旨在實(shí)現(xiàn)等量輸出，亮度和通亮都達(dá)到世界之最。該裝置產(chǎn)生的X射線的亮度將比現(xiàn)在的NSLS高10000倍，設(shè)計(jì)工作將于2005年開始，計(jì)劃2008年建造，2012年投入運(yùn)行。 

NSLS-II在由20多個(gè)插入裝置產(chǎn)生的2-20 KeV的能量范圍內(nèi)，提供的光峰值亮度大于10²¹ 光子/秒/0.1%帶寬/毫米²/毫弧度²。目前正在考慮按最佳運(yùn)行方式來設(shè)計(jì)儲(chǔ)存環(huán)，使電流保持在500毫安，給光束線的光學(xué)儀器提供穩(wěn)定的熱負(fù)載。為使3 GeV的 機(jī)器在2-20 KeV能量范圍內(nèi)的性能達(dá)到最佳，考慮采用短周期(10-15 mm)、小間隙(5 mm)的超導(dǎo)波蕩器。 

NSLS-II采用的儲(chǔ)存環(huán)磁聚焦結(jié)構(gòu)類型正在積極討論中，以便確定最大限度地滿足用戶的需要并使機(jī)器性能達(dá)到最佳，從而獲得高亮度。通常的磁聚焦結(jié)構(gòu)由24個(gè)TBA結(jié)構(gòu)組成，周長在550-600米的范圍內(nèi)，水平發(fā)射度在3 GeV時(shí)約為1.5 nm。這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)完全滿足用戶預(yù)期對(duì)約20個(gè)插入件和超低發(fā)射度約1.5 nm的需要，將來可以將其改進(jìn)為能量回收直線加速器運(yùn)行模式。除TBA結(jié)構(gòu)外，也在研究DBS和QBA結(jié)構(gòu)。每種結(jié)構(gòu)都有利有弊，設(shè)計(jì)者正與用戶一起研討，以確定其最佳結(jié)構(gòu)。至于所有超高亮度電子環(huán)，最大的挑戰(zhàn)是用非線性六極鐵補(bǔ)償磁聚焦結(jié)構(gòu)的大色差，同時(shí)使電子束的穩(wěn)定相位空間區(qū)域達(dá)到最大，即所謂的"動(dòng)態(tài)孔徑挑戰(zhàn)"。 

NSLS-II計(jì)劃采用500 MHz的超導(dǎo)高頻系統(tǒng)。超導(dǎo)高頻系統(tǒng)在利用像LEP和KEKB加速器開展高能物理研究中已經(jīng)證明了自己，最近CLS、DIAMOND和SRRC光源都采用了超導(dǎo)高頻系統(tǒng)。超導(dǎo)的特性可大大降低對(duì)高頻功率的要求，大孔徑腔體的"單模"設(shè)計(jì)可以不用消除耦合束團(tuán)不穩(wěn)定性的反饋系統(tǒng)。正在考慮采用Cornell和KEK的設(shè)計(jì)，超導(dǎo)高頻系統(tǒng)在歐洲和日本都可買到。根據(jù)高頻功率耦合器研制的進(jìn)展情況，將需要2個(gè)或3個(gè)腔體。

NSLS-II的性能指標(biāo)見下圖：顯示了與目前的NSLS（黑色）相比的NSLS-II（紅色）的插入件和二極磁鐵的平均亮度（左）和通量（右）（U=波蕩器，W=扭擺磁鐵，BM=彎轉(zhuǎn)磁鐵）。

NSLS-II的額定參數(shù)如下：

NSLS-II將帶來新的科學(xué)機(jī)遇，其特點(diǎn)和它所提供的各種能力的組合在未來幾十年內(nèi)將對(duì)國家主要的科學(xué)研究項(xiàng)目產(chǎn)生重大影響：

- 在國家衛(wèi)生研究院結(jié)構(gòu)基因組、能源部基因組到生命和其他主要研究項(xiàng)目中起關(guān)鍵作用；

- 大大提高研究凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ?nbsp;

- 提供范圍廣泛的納米分辨率探測器，滿足國家迅速增加的納米科學(xué)計(jì)劃； 

- 對(duì)決定地球和星體演化的過程提供新的解釋。 

這些研究項(xiàng)目涵蓋以下廣泛的不同學(xué)科和研究領(lǐng)域： 

1、生命科學(xué)

（1）結(jié)構(gòu)生物學(xué)：NSLS-II的亮度能夠使科研人員解決膜蛋白、大分子組合、藥物設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)基因組領(lǐng)域里日益困難的問題。

（2）生物醫(yī)學(xué)成像：NSLS-II在軟X射線和硬X射線光譜范圍內(nèi)的高亮度能大大提高軟X射線成像和硬X射線微探針的空間分辨率。分辨率約為10鈉米的整個(gè)細(xì)胞成像將成為可能。另外，采用冷凍俘獲法可探索細(xì)胞過程。 

2、材料科學(xué)

（1）電子關(guān)聯(lián)系統(tǒng)：NSLS-II將極大地提高許多實(shí)驗(yàn)技術(shù)的能力，特別是1）利用高能光子約1MeV高分辨率光電子發(fā)射技術(shù)，使該技術(shù)能用在更多樣品上；2）約10MeV分辨率非彈性散射技術(shù)，用于研究電子激勵(lì)；3）利用相干X射線研究動(dòng)態(tài)學(xué)和使復(fù)雜區(qū)域成像。 

（2）磁性和磁性材料：NSLS-II的高亮度和橢圓型極化插入件或極化轉(zhuǎn)換光學(xué)設(shè)備將極大提高自旋分辨光電子發(fā)射、X射線磁性圓二色和共振磁性X射線散射技術(shù)的靈敏度，以及這些技術(shù)的空間和時(shí)間分辨率。 

（3）物質(zhì)和生物材料：過去20 年中，同步輻射在了解弱散射系統(tǒng)的排序性質(zhì)中起到重要作用。最近，注意力集中到了混合系統(tǒng)上。NSLS-II的高亮度可使研究人員應(yīng)對(duì)確定混合系統(tǒng)中基本排序的主要科學(xué)挑戰(zhàn)。 

（4）先進(jìn)材料的生成和處理：NSLS-II的高亮度將使實(shí)時(shí)X射線的研究擴(kuò)展到微秒級(jí)。原子在表面漫射正是在微秒級(jí)，這種漫射是許多重要過程的最早階段。也可利用實(shí)時(shí)成像重建技術(shù)用相干X射線開展斑點(diǎn)實(shí)驗(yàn)。 

3、化學(xué)科學(xué)

催化劑：NSLS-II的高亮度會(huì)將1）現(xiàn)有的技術(shù)擴(kuò)展到在微秒或微秒以下對(duì)催化過程的動(dòng)力學(xué)開展時(shí)間分辨研究；2）啟動(dòng)新實(shí)驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用，像高分辨率X射線發(fā)射光譜和X射線Raman散射，提供新的光譜信息；3）可用好于10nm模型系統(tǒng)的光譜顯微表征描述新的鈉米尺寸催化材料、活性區(qū)和模型系統(tǒng)中的吸附物-基旨的相互作用的特點(diǎn)；4）能對(duì)模型系統(tǒng)進(jìn)行高壓研究，幫助填補(bǔ)壓力空白。

4、納米科學(xué) 

NSLS-II的高亮度，連同最近在X射線聚焦光學(xué)儀器取得的進(jìn)展和新的相干X射線成像技術(shù)，能使研究人員確定很多不足10鈉米空間分辨率的鈉米材料的原子結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成。另外，NSLS-II靠近功能性鈉米材料研究中心（CFN）。該中心2007年建成后，可使兩者的用戶充分利用這兩個(gè)裝置的科學(xué)訣竅和儀器設(shè)備。 

5、地球科學(xué)

NSLS-II的高亮度將在更廣泛的壓力和溫度范圍內(nèi)，從有限能力的探索研究到全面材料的表征高精度研究，根本改變高壓實(shí)驗(yàn)的性質(zhì)。特別是可以研究高壓高溫時(shí)流變學(xué)特性、聲子相關(guān)特性和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)態(tài)特性。 

6、環(huán)境科學(xué) 

NSLS-II的高亮度通過提供元素特征、高空間和能量分辨率、低濃度探測能力和環(huán)境介質(zhì)中的工作能力，將產(chǎn)生一個(gè)表征的新水平。

（高能所科研處制作  內(nèi)容來自侯儒成翻譯的資料及NSLS網(wǎng)站）