国家自然科学基金委员会 科学基金资助仪器类项目的情况与展望 汲培文 数理科学部 2013年11月 北海

报告内容 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

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 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

二、科学基金资助仪器类项目的类别与侧重 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

面上项目 学部指南倾斜，学科评审会审议； 强度80----180万元 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）。

◆ 联合基金 大科学装置联合基金 天文联合基金

大科学装置联合基金 主要资助方向 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。

资助与仪器相关的内容 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。

天文联合基金 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；

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

1.科学仪器基础研究专项 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。

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 资助经费总额为59453万元 单位：万元 资助经费示意图

资助项目研究领域分布情况 科学部 数理 化学 生命 地球 工材 信息 医学 年度 科学 合计 1998 2 1 5 1999 3 2000 5 1999 3 2000 9 2001 2002 10 2003 11 2004 2005 18 2006 4 6 19 2007 25 2008 7 2009 12 35 2010 8 13 17 55 2011 2012 49 57 85 45 95 341

2013年度科学仪器基础研究专款申请与资助情况 （单位：万元） 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 2% 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  医学科学部 56 5 1360 9.07% 272 8.93%

2.重大仪器专项 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 资助范围 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。

◆ 自由申请重大仪器项目 经费在1000万元左右 项目程序 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

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 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 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 6 时间分辨双光子激发活体荧光成像系统 王远 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 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 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 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 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 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 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 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

2013年度重大仪器自由申请项目申请与资助情况 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 40 30000 100%  750 16.19%  数理科学部 58 6 4800 16% 800 10.34%  化学科学部 27 8 6000 20% 29.63%  生命科学部 -  地球科学部 35 4 3200 10.67% 11.43%  工程与材料科学部 37 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%

◆ 部门推荐重大仪器项目 评审程序 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

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 2 杜瑞瑞 拓扑量子计算专用仪器平台研制 北京大学 30 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 28 7002.298 7000 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 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 4200 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 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 9 王智彪 球形聚焦集声系统的研究 重庆医科大学 26 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

三、有关思考与建议 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 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。

思考的问题 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 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

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

四、项目分析----侧重学科领域外竞争的项目 ○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 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

2.南极天文观测关键技术与方法研究 南极态势及中国南极天文台建站地点 强度2000万元 项目特征： 需求明确 关键问题突出 特色鲜明 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 Dome F, 日本 美国(地理南极点) (3200m) South Pole Dome A,中国 (4093m) Dome A Dome C,欧洲 (3202m) Dome Vlastok, 俄罗斯 南极天文台地理位置 南纬： 80  25’ 东经： 77  06’ 海拔： 4087m 33

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】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】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 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】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】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】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 信号馈点 阻抗变换 调谐电感 绝缘层 超导体 势垒 介质衬底

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 【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】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。

○重大国际合作项目 强度200----1000万元 特征： 强强合作、以我为主、 优势互补、目标明确 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 强度300----500万元 重点项目 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 高纯锗探测器低温制冷方案研究

国际上重要地下实验室比较(单位:岩石厚度) 700m Y2L 韩国 800m Canfranc 西班牙 1100m Boulby 英国 600m Soudan 美国 1400m LNGS 意大利 1000m Kamioka 日本 1400m INO 印度 1500m DUSEL 美国 1600m Baksan 俄罗斯 2500m 中国 CJPL 隧道 1700m Modane 法国 2300m 2000m SNO 加拿大 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 ○科学仪器基础研究专项 非定常三维复杂流动的单相机层析PIV测量系统研究 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。 ■ 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

预期指标、关键科学问题及创新点 目标： 研制结构简单的单相机层析PIV 系统 项目特征：目标明确，特色鲜明 指标名称 指标范围 粒子场浓度 系统指标（测量精度） 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% 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 装置设计的三维效果图 ◆ 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 ◆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 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。

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。 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 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。 项目特征：有独特的想法，国内急需

真实环境和模拟工作状态下材料电子结构的测量 辅助互补先进光源，全面提升电子结构测量能力 ○部门推荐重大仪器项目 ★ 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 真实环境和模拟工作状态下材料电子结构的测量 软x射线弯铁光源 辅助互补先进光源，全面提升电子结构测量能力 综合高精度电子结构测量 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。

AP-PES+AP-PIPOS; MBE+AP-PES; MBE+STS; ARPES+STS; MBE+APRES+STS;… 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… 45

集成创新 单元技术创新 拟建平台的创新点 功能最强、实用性最强、集成度最高 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…)； 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)。 46

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； 反应堆大厅—热中子 导管大厅—冷中子 前两条为系统集成创新，后三条为单元技术创新；只列出了主要创新点。 CARR堆及谱仪位置分布示意图 48

仪器构成 三轴极化谱仪 广谱谱仪 中子极化系统 中子单色系统 中子极化分析系统 中子单色器 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 概念设计图

仪器拟解决的关键问题与创新点 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。 设计图 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。 设计图 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。 前两条为系统集成创新，后三条为单元技术创新；只列出了主要创新点。 传统聚焦单色器 新型双聚焦 单色器 50

谱仪完成后的技术功能与国际先进谱仪的比较 谱仪完成后的技术指标与国际先进谱仪的比较 谱仪技术功能与技术指标的综合比较 谱仪完成后的技术功能与国际先进谱仪的比较 三轴谱仪 超低噪声 单色器 线性极化分析能力 全矢量极化分析能力 导管末端的 有利位置 拟研制 谱仪（CARR） 具备 PANDA(德国FRM-II) 不具备 IN14(法国ILL) SPINS(美国NIST) 未正常工作 国际最先进三轴谱仪 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 % 样品测量环境 温度： 7 mk，磁场：10 T，压强：8 GP

仪器建成后的应用与拟解决的科学问题 应用领域 拟解决的科学问题 科学目标的特色 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。 前两条为系统集成创新，后三条为单元技术创新；只列出了主要创新点。 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 52

★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 （一） 飞秒激光系统 （二） 超快泵浦光源 飞秒同步 锥镜 三倍频 微波系统 (六)探测系统 (五)样品室 投影镜 聚焦镜 缩束磁透镜 物镜 前面我已经介绍过系统的总体技术路线。 挡片 样品 (四)高温超导电磁透镜系统 微波电子枪 (三)兆伏特飞秒高亮度电子源 仪器结构与总体技术路线

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 飞秒激光系统 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 飞秒同步 锥镜 三倍频 微波系统 微波电子枪 聚焦镜 首先通过开启聚焦镜，并关闭其他透镜，我们就可以实现第一种功能：兆伏特飞秒电子衍射。这种功能针对的是电子强关联体系、气相化学反应等过程中的瞬态结构研究。 样品 探测系统 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

性能指标分析 功能 目前水平 0.1埃/亚皮秒 无 10纳米/纳秒 本项目 科学目标 应用目标 （1） 瞬态结构 （2） 瞬态局域形貌 (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。以第一种功能飞秒电子衍射为例，目前时间分辨能力的最高水平是亚皮秒量级，我们的系统将达到50飞秒。 逐步提高系统应用范围、提供实空间成像信息 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 为了达到世界领先的时空分辨率，我们需要解决一系列的关键技术问题，由于时间关系，我主要介绍三个关键技术难点。 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) 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 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 高功率 超快激光 泵 浦 激 光 飞秒同步 现代激光技术可以提供20飞秒以下的激光脉冲；利用光阴极微波电子枪产生的兆电子伏电子脉冲，宽度也可以达到20飞秒以下。（点鼠标）我们将开发新一代光阴极微波电子枪，这种电子枪采用三项先进技术，高功率超快激光，高效率光阴极材料和高梯度微波加速场。利用飞秒激光我们可以产生及控制飞秒电子脉冲的时间和空间分布。通过选择合适的光阴极材料，我们可以减小电子的热发射度及暗电流。利用高梯度微波加速场，可以在非常短的距离内将电子加速到兆电子伏，从而极大地减小了空间电荷效应，保持了飞秒电子束的品质。采用这些技术，我们就可以产生小于20飞秒的探测电子脉冲。（点鼠标）我们的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，我们将电子脉冲宽度降低至20飞秒以下 微波系统 高效率光阴极 MeV探测电子 高梯度微波加速场 样品

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 技术难点二：如何提高电子脉冲相干长度 电子纵向分布 ΔE/E ~ 10-3 能 量 ΔE/E ~ 10-5 相空间旋转,能量补偿 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 时间 1.5腔 单腔 我们将开发新型的高亮度微波电子枪，在原先1.5腔的基础上再加一个单腔。（点鼠标）这个单腔的功能就是实现电子束在纵向相空间的旋转，从而将电子束的能散从10的负三降低到10的负五，这样我们通过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。

技术难点三：如何实现和精确控制强磁场分布 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 Cc B rc 同时，我们已与美国布鲁克海文国家实验室R. Gupta研究员合作完成电磁透镜基本设计。通过发展高温超导电磁透镜代替传统透镜，我们将实现和精确控制近3特斯拉的强磁场分布，目前在美国布鲁克海文国家实验室已经实现了10特斯拉磁场的实验验证。利用高温超导电磁透镜的另一个优点是：能够显著降低系统的体积。 铜线圈 高温超导线圈 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 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 欢迎批评指正！！