汲培文

数理科学部

2013年 11月 北海

科学基金资助仪器类项目的情况与展望

国家自然科学基金委员会

科学基金资助仪器类项目的基本定位 科学基金资助仪器类项目的类别与侧重 思考与建议 项目分析

报告内容

一、科学基金资助仪器类项目的基本定位

资助围绕科研活动的所需仪器的研制、提升与发展

研制：适应科研需求，研制特需（创新）仪器 提升：改善、拓展已有仪器性能，包括诊断设 备、后端设备的研制等 发展：新一代装置的预研、特别是概念性和关键

技术的预研

• 项目系列 : 重大项目、重点项目、重大国际合作项目、面上项目

• 联合基金• 专项基金 ---- 仪器专项

二、科学基金资助仪器类项目的类别与侧重

重大项目： 着重体现技术方法的发展，对提升我

国自主发展仪器设备有重要支撑意义； 学部咨询委员会讨论、推荐立项，强度 2000 万元左右，目前一年数理学部共资助 3 项左右，主要以科学研究为主要资助方向

二、科学基金资助仪器类项目的类别与侧重

重点项目：以学科发布指南为引导、强度300-400 万元；由学科评审组审议

重大国际合作项目：

自由申请重大国际合作项目：指南引导（范围较宽），多为科学目标引导下的实验技术方法的改进、小型实验装置的研制；学部组织评审，强度 300 万元左右；

协议框架内重大国际合作项目：由双边协议内容确定

二、科学基金资助仪器类项目的类别与侧重

面上项目

• 提出了新的技术方法、思路的尝试（为基金委仪器类项目和重大专项仪器项目的研制奠定基础，酝酿思想或框架）；• 对某些原理的验证与实验；• 测试、诊断技术方法的发展；• 基于已有仪器设备性能的拓展与提升；• 现有的技术应用到其他领域；• 薄弱而亟待发展的技术和方法（譬如探测器、电子学等等）。

学部指南倾斜，学科评审会审议； 强度 80----180 万元

◆ 联合基金

大科学装置联合基金

天文联合基金

基于平台装置的研究工作，重点支持物质科学、

信息科学、生命科学、材料科学、环境科学等领域的多学

科和学科交叉前沿问题的研究，开拓新的研究方向；基于

专用装置的研究工作，譬如北京谱仪的高能物理研究、兰

州重离子加速器冷却储存环装置的核物理研究等；提升大

科学装置研究能力的实验技术、方法及小型专用仪器发展

研究和关键技术研究。

主要资助方向

大科学装置联合基金

面上项目主要资助：光束线的新原理、新技术和方法学研究；粒子加速器和粒子探测器的关键技术、方法和设备的研究。 重点项目主要资助：粒子加速器和探测器以及光束线站的技术、原理和方法学研究。

资助与仪器相关的内容

主要资助方向与内容• 中国科学院天文台系统以外科研机构和高等院校的科研人

员利用中国科学院天文台系统所属的光学、射电、红外等天文观测设备和数据资料开展的宇宙学、星系、恒星、太阳和太阳系以及基础天文等领域的观测和理论研究（中国科学院天文台系统研究人员不能作为申请人申请此方面内容，但可以作为主要参与者参与申请）；

• 空间天文探测技术研究，包括空间天文探测新技术新方法的研究和天文卫星关键技术的前期预先研究等；

• 与天文探测相关的高能、紫外、光学、红外和射电技术方法，包括微弱光电子信号探测、存储和传输技术，与天文望远镜相关的高能、光学、红外和无线电技术，自动控制技术和机械等；

天文联合基金

主要资助方向与内容

• 海量天文数据存储、计算、共享及虚拟天文台技术；• 基础天文学方法及其在满足国家战略需求应用中产生的关

键科学问题；• 围绕在建或拟建大型天文观测设备的前沿科学问题而开展

的分析研究，为设备的研制、测试和运行提供科学指导。具体包括：前沿科学问题和科学目标的选取和论证；观测模式和策略的选取、优化以及具体观测对象的遴选；观测数据的处理和信息提取，误差的分析和控制；观测实验模拟和理论模型的建立等

◆ 专项基金

科学仪器基础研究专项

重大仪器专项：自由申请、部门推荐

1998 年起科学仪器基础研究纳入科学基金资助范围，主要用以资助基础科学的前沿研究所急需的创新性科学仪器的研制或改进。

资助范围 对前沿学科发展有重要推动作用的关键科学仪器和部

件的研制。

为验证新原理、新方法的科学仪器和部件的研制。

量大面广，具有广泛应用背景的新颖科学仪器和部件的研制。

1.科学仪器基础研究专项

方式与特点根据我国当前技术研究的基础和优势，结合学科的特点确定鼓励研究领域。重点支持已有前期工作基础的创新性科学仪器的研究。由科学部组织并推荐已有较好研究基础的研究队伍申请。计划局组织会评—全委领域间的竞争资助强度 300 万元左右。

1998-2012经费投入情况

资助经费示意图

资助经费总额为 59453万元

400 400 690 748 800 995 990 1500 19303000 3000

5000

10000

1500015000

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

单位：万元

科学部 数理 化学 生命 地球 工材 信息 医学年度 科学 科学 科学 科学 科学 科学 科学 合计1998 2 1 0 0 0 2 0 5

1999 1 3 0 0 0 0 1 5

2000 1 2 1 2 2 1 0 9

2001 0 3 1 2 2 1 0 9

2002 2 2 2 1 1 2 0 10

2003 2 3 1 1 2 2 0 11

2004 2 3 1 1 1 3 0 11

2005 3 5 1 0 3 5 1 18

2006 4 6 0 1 2 3 3 19

2007 5 6 0 2 4 6 2 25

2008 5 7 0 3 4 6 0 25

2009 7 7 0 2 5 12 2 35

2010 8 13 0 4 7 17 6 55

2011 8 12 2 3 6 18 6 55

2012 7 12 0 3 6 17 4 49

合计 57 85 9 25 45 95 25 341

资助项目研究领域分布情况

科学部 受理申请资助

单项平均 资助率项数 金额 占全委经

费比例

合计 480 50 15000 100%  300 10.42%

数理科学部 54 8 2410 16.07% 301.25 14.81%

化学科学部 58 11 3410 22.73% 310 18.97%

生命科学部 16 1 300 2% 300 6.25%

地球科学部 59 4 1175 7.83% 293.75 6.78%

工程与材料科学部 79 7 2060 13.73% 294.29 8.86%

信息科学部 158 14 4285 28.57% 306.07 8.86%

医学科学部 56 5 1360 9.07% 272 8.93%

2013 年度科学仪器基础研究专款申请与资助情况（单位：万元）

定位面向科研、推动原始创新体现科研需求的工具研制即科研需求导向的科研工具的研制

对于促进科学发展、开拓研究领域具有重要作用的原创性科研仪器设备的研制；

通过关键核心技术突破或集成创新，用于发现新现象、揭示新规律、验证新原理、获取新数据的科研仪器设备的研制。

资助范围

2. 重大仪器专项

◆ 自由申请重大仪器项目 经费在 1000 万元左右

自由申请科学部组织通讯评审计划局组织会议评审委务会审批

项目程序

2012 年重大仪器自由申请资助项目序号 科学部 项目名称 申请人 申请单位 资助金额

（万元）1

数理

辐照效应实时原位分析装置的联机部件研制 李宁 厦门大学 350

2 超快自旋极化低能电子显微镜 唐文新 重庆大学 900

3 超高温极端环境下材料性能测试设备研制 方岱宁 北京大学 900

4 用于等效原理检验的高精度原子干涉仪 詹明生 中国科学院武汉物理与数学研究所 900

5

化学

糖蛋白结构解析串级质谱分析装置 杨芃原 复旦大学 900

6 时间分辨双光子激发活体荧光成像系统 王远 北京大学 900

7 电场、磁场调制的短波长手性拉曼光谱仪研制 李灿 中国科学院大连化学物理研究所 840

8界面超分子手性的原位高分辨非线性光谱表征及其成像装置研究 刘鸣华 中国科学院化学研究所 900

9基于高效荧光共振能量转移探针的新一代多色超分辨显微镜研制 樊春海 中国科学院上海应用物理研究所 900

10

地学

低平流层风场探测激光雷达系统研制和应用 孙东松 中国科学技术大学 800

11 大深度三维矢量广域电磁法仪器研制 何继善中南大学 900

12降解 - 矿化平衡研究中地史环境模拟设备“ PALEOPOND” 研制 王伟 中国科学院南京地质古生物研究所 420

13二次细粒子粒径分布、化学组成和光学特性在线测量系统 葛茂发 中国科学院化学研究所 880

14 复杂山地多波宽频带地震数据采集系统研制 庹先国 成都理工大学 600

2012 年重大仪器自由申请资助项目序号 科学部 项目名称 申请人 申请单位 资助金额

（万元）15

工材

连铸坯枝晶生长热模拟试验机 翟启杰 上海大学 300

16 薄膜拉伸加工物理多尺度结构在线研究装备 李良彬 中国科学技术大学 870

17 模拟空间环境下摩擦试验原位分析系统的研制 刘维民 中科院兰州化学物理研究所 750

18聚合物微纳层状多层次形态结构调控仪与分析表征系统 郭少云 四川大学 860

19

信息

基于微流控芯片的高通量自动化 DNA 测序装置 陆祖宏 东南大学 300

20光学活检术 --无损超高分辨的内窥光学相干 CT 成像系统 薛平 清华大学 540

21 大视场 X 射线相衬成像器件与锥束 CT 系统研究 牛憨笨 深圳大学 900

22 通用无线信号检测分析仪表 张平 北京邮电大学 850

23 异型零件精密微装配设备研制 徐德 中科院自动化研究所 830

24 高精度镱原子光钟 吕宝龙 中科院武汉物理与数学研究所 540

25基于谱图、结构信息集成探测的高精度近地遥感系统研究 赵慧洁 北京航空航天大学 750

26医学

低功率超声分子显像与治疗系统研究 王志刚 重庆医科大学 700

27 天然药物中目标物快速“识别鉴定”二维色谱仪研制贺浪冲 西安交通大学 720

合计 14170

科学部 申请数批准资助

平均强度 资助率项数 金额 占全委比例

合计 247 403000

0100%  750 16.19%

数理科学部 58 6 4800 16% 800 10.34%

化学科学部 27 8 6000 20% 750 29.63%

生命科学部 6 0 0 - - 0

地球科学部 35 4 3200 10.67% 800 11.43%

工程与材料科学部 37 6 4600 15.33% 766.67 16.22%

信息科学部 63 13 9050 30.17% 696.15 20.63%

医学科学部 21 3 2350 7.83% 783.33 14.29%

2013 年度重大仪器自由申请项目申请与资助情况

◆ 部门推荐重大仪器项目

部门限额推荐项目申请同行通讯评议学部咨询委员会评审（ 2/3）专家委员会评审（ 2/3） 现场考察（不涉及经费预算） 经费预算评审（以科技专家为主）专家委员会最终评审 (2/3)委务会审批

评审程序

2011年度国家重大科研仪器设备研制专项资助项目

序号 负责人 项目名称 项目依托单位 得票情况 申请经费（万元）

拟资助经费（万元）

1 李儒新 新一代超强超短激光综合实验装置

中国科学院上海光学精密机械研究所 32 8900 8900

2 杜瑞瑞 拓扑量子计算专用仪器平台研制 北京大学 30 3000 3000

3 史生才 太赫兹超导阵列成像系统 中国科学院紫金山天文台 31 6249.2 6000

4 万立骏 高分辨多功能化学成像系统 中国科学院化学研究所 287002.29

87000

5 杨学明 基于可调极紫外相干光源的综合实验研究装置

中国科学院大连化学物理研究所 32 14800 10330

6 徐 涛 光电融合超分辨生物显微成像系统 中国科学院生物物理研究所 30 4200 3000

7 吕达仁 多波段多大气成份主被动综合探测系统 中国科学院大气物理研究所 31 9300 9300

8 张首刚 新一代时间频率系统 中国科学院国家授时中心 34 3500 3500

9 王智彪 球形聚焦集声系统的研究 重庆医科大学 26 6000 6000

合计 　 　 　 　 62951.498

57030

2012年度重大仪器专项资助项目情况序号 科学部编号 申请人 单位 项目名称 建议资助经费

（万元）

1 112279006 邹广田 吉林大学 新一代大型超高压产生装置 8700.00

2 112279002 吴培亨 南京大学 多通道超导单光子探测器 4900.00

3 112279001 杜江峰 中国科学技术大学 多波段脉冲电子自旋磁共振谱仪研制 5600.00

4 112279005 潘庶亨 中国科学院物理研究所 极端条件下超高精度实空间 / 动量空间原位测量系统 7900.00

5 412279001 李晓 中国科学院地质与地球物理研究所 高能加速器 CT 多场耦合岩石力学试验系统 5650.00

6 612279001巴音贺希格

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 1.5米扫描干涉场曝光系统 8300.00

7 612279002 房建成 北京航空航天大学 基于原子自旋效应的超高灵敏磁场与惯性测量实验研究装置 8850.00

8 812279002 周欣 中国科学院武汉物理与数学研究所

用于人体肺部重大疾病研究的磁共振成像仪器系统研制 4400.00

9 812279001 田捷 中国科学院自动化研究所 小动物光学多模融合分子影像成像设备 8500.00

10 112279003 鲍威 中国人民大学 冷中子非弹性散射谱仪的研制 11100.00

11 112279004 刘志 中国科学院上海微系统与信息技术研究所

基于上海同步辐射光源的能源环境新材料原位电子结构综合研究平台（ SiP·ME2 ）研制 14800.00

合计 88700.00

2013年度重大仪器专项资助项目情况序号 项目名称 负责人 依托单位 申请经费

（万元）

1针对若干国家战略需求材料使役条件下性能与显微结构间关系的原位研究系统 张泽 浙江大学 6300

2原子尺度超高时空分辨兆伏特电子衍射与成像系统 王西杰 上海交通大学 9500

3基于可调谐红外激光的能源化学研究大型实验装置 孙世刚 厦门大学 8997.91

4 单细胞时空分辨分子动态分析系统 陈洪渊 南京大学 7200

5超高时空分辨微型化双光子在体显微成像系统 程和平 北京大学 8900

6 基于静电悬浮的金属材料快速凝固实验系统 魏炳波 西北工业大学 4500

7材料与构件深部应力场及缺陷无损探测中子谱仪研制 钟掘 中南大学 8000

8 多功能固态量子存储器 郭光灿 中国科学技术大学 6000

9 多维多尺度高分辨率计算摄像仪器 戴琼海 清华大学 8950

物理 II 领域的特点• 大科学：科学目标宏伟、意

义重大，涉及人类对自然的基本认识问题，由众多科学家共同提出、酝酿、凝练；

• 大装置：规模大、技术先进、结构发展、单元多，涉及到材料、机械、电子学、计算机等领域；

• 大投入：经费投入多，一般为几亿元、几十亿元，甚至上百亿元人民币；

• 大团队：需要大量的科学、技术专家和工程师参与

三、有关思考与建议

北京正负电子对撞机和北京谱仪，主要开展 τ轻子和粲粒子物理的研究，在 τ轻子质量精确测量、 R值测量、发现多个新共振态等做出了许多国际上有显示度的工作。

科学目标的确定： 科学目标要具体、特色鲜明、体现学术思想的

创新 仪器特色的提炼： 仪器要自成体系、规模适中、关键技术明确，难点、创新点突出；或属独创，或为现有设备的拓展、特色鲜明、指标先进

研究基础的表述 有积累、有所需主要技术人才、储备了一定的

关键技术、掌握了解决难点的方法

思考的问题

中等规模的大科学装置的科学目标、关键技术、前沿技术研究（ 3000—10000 万元），高能物理、粒子物理、等离子体物理领域

意义重大、探索性强、风险大、周期长、经费多的项目的培育与支持

科学研究支撑中的基础性研究工作（技术的固化与数据的积累等）

大规模物理实验研究中的硬软件及其更换

重大的国际合作中的实验类（仪器设备）项目

思考的问题

四、项目分析 ---- 侧重学科领域外竞争的项目

科学目标的凝练：能用于研究、回答目前尚未认识的科学问题，问题明确、意义重要；或拟研究发展的技术方法属对该领域实验装置发展的支撑作用显著；或为我国科研急需发展和掌握的关键技术

仪器设备整体结构、性能的表述：仪器整体性能优越，或为独创，或为现有设备的拓展、但特色鲜明、指标先进

技术创新的描述：技术创新点突出，主要部分体现提升自主创新能力的提升

○重大项目 1. 中微子高性能探测器关

键技术与方法研究 强度 1000 万元 • 大亚湾核电站具有独特的条件，

是世界上进行此项实验的最佳地点。两个近点与一个远点探测器之间用隧道连接，共 3000米

• 由科技部、中科院、基金委、广东省、深圳市和中国广东核电集团共同支持。

• 二期继续给予资助

四、项目分析 ---- 侧重学科领域外竞争的项目

项目特征：科学目标明确、仪器设计先进、需研究解决的技术、方法清晰

南极态势及中国南极天文台建站地点

Dome A

Dome C,欧洲(3202m)

South Pole美国 ( 地理南极点 )(3200m)

Dome A,中国(4093m)

南极天文台地理位置南纬： 80 25’东经： 77 06’海拔： 4087m

Dome F, 日本

Dome Vlastok, 俄罗斯

强度 2000 万元 实现衍射极限的大视场光学望远镜关键技术方法基于高临界温度超导器件的多频段太赫兹探测器特性研究特殊环境下光学红外与太赫兹望远镜关键组件的特性研究

项目特征： 需求明确 关键问题突出 特色鲜明 创新性强

2. 南极天文观测关键技术与方法研究

• 实现衍射极限的大视场光学望远镜关键技术方法

【【研究内容研究内容】】衍射极限像质的大口径自适应光学技术及在南极实现衍射成像的方法；

与南极极好视宁度条件匹配的大视场高分辨光学望远镜方案；

大视场高分辨光学成像新概念的研究；

南极超高分辨光干涉技术概念研究；

传统自适应光学系统 : 光学元件多，效率低，视场小

常规望远镜配大口径自适应副镜 : 光学元件少，效率高，动态范围大。 【【创新点创新点】】全新的大视场高分辨光学

望远镜系统；首次应用于南极光学红外望远镜的大口径自适应光学技术。

• 基于高临界温度超导器件的多频段太赫兹 探测器特性研究

【【研究趋势研究趋势】】应用高临界温度超导隧道结实现更高频段、更宽瞬时带宽、更高灵敏度探测技术。

【【研究内容研究内容】】具有高临界温度超导隧道结和热电子混频器在太赫兹波段的噪声机制以及各种噪声的温变特性；多频段太赫兹探测器系统中电磁波的分光、传输和耦合特性；太赫兹探测器系统关键部件的温度特性以及低温互联所致的电磁波反射、热耗散及噪声干扰等问题。

【【创新点创新点】】解明高临界温度超导隧道结噪声机制及温变特性；首次实现 10K 温区工作且接近量子极限灵敏度的太赫兹超导隧道结混频技术。

超导隧道结混频器芯片及隧道结截面 TEM 照片

SIS SIS信号馈点

阻抗变换调谐电感

绝缘层超导体

超导体势垒

介质衬底

【【研究内容研究内容】】望远镜热分析与光学质量控

制；望远镜关键构件低温特性及对高精度

跟踪系统的影响；能源支撑系统的失效机

理及解决方法。

【【创新点创新点】】首次建立极端环境下望远镜系

统的热分析模型、南极环境下望远镜控制

系统的分析模型；实现包含机、电、磁、

热等多维参数的中国南极能源支撑系统的

高可靠性优化设计。

特殊环境下光学红外与太赫兹望远镜关键组件的特性研究

○重大国际合作项目强度 200----1000 万元

羊八井中意合作项目 中意合作在我国西藏羊八井（海拔 4300m ）建造 6500m2 RPC地毯式阵列，在亚甚高能区和更高能区，开展天文观测、“膝区物理”研究，寻找宇宙线源，监测太阳活动和地球空间环境变化等

特征：强强合作、以我为主、优势互补、目标明确

○重点项目

重点项目 强度 300----500 万元

高纯锗探测器低温制冷方案研究

极低能量阈高纯锗阵列探测器直接探测暗物质实验中的物理和关键技术问题研究

600mSoudan美国

700mY2L韩国

800mCanfranc西班牙

1000mKamioka日本

1100mBoulby英国 1400m

INO印度

1400mLNGS意大利

1600mBaksan俄罗斯

1500mDUSEL美国

2300m2000mSNO加拿大

1700mModane法国

2500m中国CJPL

国际上重要地下实验室比较 ( 单位 :岩石厚度 )

隧道

矿井Deep Underground Lab 极深地下实验室

■ 挑战：点→面→体 现有层析 PIV系统存在的问

题⊙ 系统复杂，各部件之间的同步困难。

⊙ 四个相机成像光路的调节困难。

⊙ 数据处理效率较低。⊙ 商用软件功能有限。⊙ 价格高。 常见的层析 PIV 实验控制示意图

科学目标与科学意义：湍流是具有三维、非定常、非线性、宽频域、多尺度等特性的流动，而且在时间和空间上剧烈演化。 三维非定常流场测量技术是揭示湍流等复杂流动机理所必需的手段。

非定常三维复杂流动的单相机层析 PIV测量系统研究

○科学仪器基础研究专项

预期指标、关键科学问题及创新点

指标名称 指标范围

粒子场浓度 >0.05ppp1

体素尺寸 2 10-100微米

最大采样频率 1kHz

原始映射函数精度 3 <0.5像素

修正后映射函数精度 <0.05像素

速度矢量有效率4 >95%

目标：研制结构简单的单相机层析 PIV 系统系统指标（测量精度）

项目特征：目标明确，特色鲜明

○自由申请重大仪器项目电磁驱动高能量密度动力学实验装置研制

◆ 科学目标：研究强耦合场下材料及相关过程的物理机制或是降低聚变点火的条件；研究准等熵压缩下材料的动力学行为

击动力学、核武器物理和航天技术等学科的研究提供新的加载技术，大大提高学科的高水平综合实验研究能力。

装置设计的三维效果图

◆ 意义：该装置的研制成功将是我国高能量密度物理研究加载技术方面一次重要创新，为动高压物理、凝聚态物理、冲

电磁驱动高能量密度动力学实验装置研制指标：放电峰值电流达到 6MA 以上、平面准等熵加载压力 ~150GPa 、驱动小尺寸固体套筒内爆速度大于 10km/s 等，驱动宏观金属飞片速度达到 15-20km/s ；获得 100km/s 左右的稠密等离子体射流； 300T脉冲强磁场，相关技术指标是目前国际上同类型装置水平最高的；其平面、柱面、与大型激光装置复合加载、与外加磁场联合使用等多功能是国内外现有同类型实验装置所不具备的。特色：装置体积小，可拆卸、搬动，便于与我国大型科学装置耦合。

驱动丝阵或固体套筒等负载构件超高速度内爆运动形成高密度、高温等离子体；

100km/s 等离子体喷流 ;10～100eV 高温辐射的稠密等离子体

项目特征：有独特的想法，国内急需

○部门推荐重大仪器项目

近常压光电子能谱实验站(AP-PES)

近常压光进光出谱学实验站（AP-PIPO）`

近常压谱学实验站

角分辨光电子能谱(ARPES)

双光子光电子能谱(2PPE)

高精度电子结构实验站

扫描隧道谱(STS)

分子束外延MBE

激光分子束外延Laser MBE

超高精度材料生长

真空紫外EPU光源

先进光源

软x射线弯铁光源

深紫外激光光源

亚飞秒激光光源

真实环境和模拟工作状态下材料电子结构的测量

综合高精度电子结构测量

辅助互补先进光源，全面提升电子结构测量能力

软 x射线弯铁光源

真空紫外软 x射线

该平台将建成一台多功能、高精度、高效率、高实用性的材料电子结构综合研究系统。

★ 基于上海同步辐射光源的能源环境新材料原位电子结构综合研究平台 平台构成

拟建平台的关键特色

国际上集成度最高 材料生长MBE 、近常压光电子能谱 (AP-PES) 和近常压光进光

出谱 (AP-PIPOS) 、角分辨光电子能谱 (ARPES) 、扫描隧道谱(STS) 、互补性组合光源

根据应用需求，选择高效组合 AP-PES+AP-PIPOS; MBE+AP-PES; MBE+STS;

ARPES+STS; MBE+APRES+STS;…

模拟环境和工作状态下电子结构测量 真正实用的电子结构研究平台 ( 电池、催化、水科学… )

突破 7-70 eV低能段超高分辨 软 x 射线同步辐射 EPU 光源＋深紫外激光…

拟建平台的创新点

集成创新功能最强、实用性最强、集成度最高

• 先进光源和多种电子结构测量手段集成：采用多种互补性先进光源和电子结构测量技术，实现能量、动量、空间、时域电子结构的综合测量和分析，获得低能电子、芯能级和未占据态等电子结构信息 ;

• 高精度材料制备集成：采用 MBE/Laser MBE获得原子精度材料控制生长能力，国际上首次实现基于同步辐射光源和高精度材料指标手段的集成 ;

单元技术创新模拟气氛和模拟工作状态 (高效分析器、原位反应池、低活性腔体… )；时间分辨测量 ( 亚非秒超快脉冲激光 )；光源 (发明叶形波荡器，降低热负载两个数量级，解决高能环上建低能线这一

世界难题 )。

平台建成后的意义及拟解决的科学问题 突破技术限制，依赖先进光源组合，突破传统超高真

空光电电子能谱测量技术的局限，甄别表面和体电子效应、发展界面电子结构测量技术和超快过程电子能谱测量技术；同步辐射 + 深紫外激光 + 亚飞秒激光

突破材料限制，利用原子层非热平衡样品制备技术，有机结合材料生长和原位测量发展各向异性和人工微结构材料的电子结构研究；MBE + ARPES + STM/S

突破状态限制，在近常压下研究处于工作状态的器件中以及弛豫状态下材料中电子结构，认识非平衡态电子结构的变化规律； AP-PES + AP-PIPOS 总体科学目标：项目拟建国际上首台多功能、高精度、高效率、高实用性的材料电子结构综合研究系统，可为新型能源环境材料研究提供高集成度的综合性实验条件，技术手段具有国际先进性。

项目特征：依托于大装置，有明确的科学目标、自己的创新技术，实现总体上的集成创新

★ 冷中子非弹性散射谱仪的研制 该项目将基于房山中国先进研究堆 (CARR堆），研制一

套冷中子非弹性中子散射三轴极化和广谱谱仪系统； CARR堆：中子通量并列世界第二， 2012年 3 月达到验

收合格；需要建设冷中子非弹性散射谱仪，已预留好位置。

CARR堆及谱仪位置分布示意图

反应堆大厅—热中子 导管大厅—冷中子

三轴极化谱仪 中子单色系统 中子极化分析系统 中子探测系统 中子屏蔽系统 能量分析系统 样品控制系统

中子分析器

中子单色器中子极化系统

探测器 样品台

广谱谱仪 改用多通道能量分析系统 减去极化分析系统 其它部分与三轴谱仪相似 多通道能量分析系统

中子单色系统概念设计图

仪器构成

仪器拟解决的关键问题与创新点设计图

设计图

三轴极化谱仪：两种中子分析模式的集成 把非极化与两种极化模式集成到一起，

实现线性和全分量极化模式切换，可直接用来研究材料内自旋、轨道关联函数的（动力学）特性。

广谱谱仪：多通道能量分析系统针对非弹性中子测量速率低的缺点，采用多

通道中子能量分析并行的方式，对不同散射方向一次性扫描，使数据采集率提高 50倍以上。

两台谱仪：均采用超低背景噪声的双聚焦单色器，提升了分辨率采用新研制出的双聚焦单色器 ( 聚焦能力强、

束流路径无“杂物” )，极大地消除了传统单色器产生的大背底噪声，解决了电机受辐射易损伤的严重问题。

新型双聚焦单色器

传统聚焦单色器

谱仪技术功能与技术指标的综合比较

广谱谱仪 能量分析技术 能量分析通道数 测量效率拟研制 谱仪

（ CARR ）简单经济的多串列固定能量分析技术 70个 3.5倍

国际最先进 MACS(NIST)

复杂昂贵的双反射能量分析技术 20个 1 倍 谱仪完成后的技术指标与国际先进谱仪的比较

指标 拟研制的谱仪系统 对比 国际上最高能量分辨率 0.05 mev 不低于 目

前最先进的同类谱

仪

能量观测范围 -2 16.5 meV 达到

中子极化率 85 % 不低于

样品测量环境 温度： 7 mk ，磁场： 10 T ，压强： 8 GP 达到

谱仪完成后的技术功能与国际先进谱仪的比较

国际最先进三轴谱仪

仪器建成后的应用与拟解决的科学问题 应用领域• 确定稀土 - 过渡金属化合物电子关联功能材料中的磁结构• 确定各种复杂（多组分、元素质量差异大的）功能材料的晶体结构• 测量稀土 - 过渡金属化合物功能材料的能谱和自旋关联函数的能量

动量关系 拟解决的科学问题• 发现稀土 - 过渡金属化合物电子关联功能材料中的新奇量子效应，

探索其温度、磁场和压强等外场下的调控行为• 研究与电子自旋动力学密切相关的量子效应的微观机理：超导、磁

性序等 科学目标的特色 研制的冷中子非弹性散射谱仪将为非常规高温超导、低维及

阻挫量子磁性、磁性材料等提供不可替代的研究平台，满足高能量分辨率的直接探测在能量 -动量空间的磁激发谱的需求。

项目特征：依托于大装置，有独特的科学目标、有自己的技术特点和创新

微波电子枪

微波系统微波系统

（一）飞秒激光系统

（一）飞秒激光系统

飞秒同步飞秒同步

三倍频

仪器结构与总体技术路线

样品

( 六 ) 探测系统

物镜投影镜

挡片

聚焦镜

锥镜锥镜

缩束磁透镜

（二）超快泵浦光源

（二）超快泵浦光源

53

( 四 ) 高温超导电磁透镜系统

( 五 ) 样品室

( 三 ) 兆伏特飞秒高亮度电子源

★ 原子尺度超高时空分辨兆伏特电子衍射与成像系统

总体科学目标：原子尺度物质结构动力学

功能三：超快兆伏特电镜， 针对光合作用、量子涨落、分子库伦爆炸中的不可逆过程研究本功能将提供约 10ps和 1-10nm 的超快单发成像能力

微波电子枪

微波系统微波系统

飞秒激光系统飞秒激光系统

聚焦镜

飞秒同步飞秒同步

三倍频

功能一：兆伏特飞秒电子衍射开展对电子强关联体系、气相化学反应等过程中的瞬态结构研究，将提供 50fs和 0.1Å 的倒空间结构变化解析能力

样品 探测系统

锥镜锥镜

超快泵浦光源超快泵浦光源 功能二：超快无透镜相干衍射成像 针对无序物质或液体的局域形貌瞬态变化研究，将提供约 1ps和约 1nm的超快实空间成像能力

逐步提高系统应用范围、提供实空间成像信息

性能指标分析

功能 ( 一 )MeV飞秒电子衍射

( 二 )超快无透镜相干衍射成像

( 三 )超快兆伏特电镜

目前水平( 代表性单位 )

0.1埃 /亚皮秒（加州理工） 无 10纳米 /纳秒

（美国 LLNL ）

本项目科学目标 0.1埃 /50飞秒 1纳米 /1皮秒 1-10纳米 /10皮

秒

应用目标 （ 1 ）瞬态结构

（ 2 ）瞬态局域形貌

（ 3 ）不可逆过程

本系统预期达到的工作参数与相应世界最好水平相比，均有大幅度提高（ 1～ 2 个量级），可满足原子尺度物质结构动力学研究的需求

拟解决的关键技术

主要技术难点：( 一 ) MeV飞秒电子衍射：如何实现 50飞秒时间分辨率( 二 ) 超快无透镜相干衍射成像：如何提高电子脉冲相干长度

( 三 ) 超快兆伏特电镜：如何实现和精确控制强磁场分布

兆伏特飞秒高亮度电子源 高温超导电磁透镜系统

技术难点一：如何实现 50飞秒时间分辨率 ( 电子脉宽 )

时间分辨率 激光脉冲宽度 电子脉冲宽度 速度失配 时间抖动<50fs <20fs <20fs <10fs <40fs

飞秒同步

微波系统

样品Scale2" 3"0 1"

高梯度微波加速场

MeV 探测电子

高功率超快激光

泵浦激光

原理性实验已获得约 100 飞秒的电子脉冲，通过研制新一代光阴极微波电子枪

将电子脉冲宽度进一步降低至 20 飞秒以下

电子纵向分布

相空间旋转 ,能量补偿

时间

能量

ΔE/E ~ 10-3

ΔE/E ~ 10-5

1

t

El

E

1.5腔 单腔

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技术难点二：如何提高电子脉冲相干长度

创新性地采用高亮度 2.5腔微波电子源方案，将时间相干长度提高两个数量级

铜线圈 高温超导线圈

技术难点三：如何实现和精确控制强磁场分布

发展高温超导电磁透镜代替传统透镜、实现和精确控制近 3T 强磁场分布，目前在 BNL 已实现 10T磁场的实验验证

CcB rc

已与美国 BNL实验室 R. Gupta研究员合作完成电磁透镜基本设

计

项目特征：科学目标独特、整体设计新颖、有自己的技术特点和创新、一定的国际合作

科学基金对大科学装置的资助与展望

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