(3)用同步辐射电子能谱,光谱等相关技术研究低维ZnO,GaN等宽带隙半导体材料的性能和结构,获取量子点,纳米线等低维结构的基本特征.同步辐射在宽带隙半导体材料低维结构研究方面有不可替代的技术优势:①在低维结构中包含了材料大量的表面和界面信息,费米能级的电子态密度和能带色散对材料或器件的性质起着决定性的作用,而对表面敏感的同步辐射光电子能谱就是研究这类问题最强有力的工具.随着超高真空系统的应用,原位制备的低维结构形成和量子效应的研究已成为可行.②宽带隙半导体的有效激发波长通常位于紫外或真空紫外区,在此波段无合适的常规光源,因此特别适合利用同步辐射光谱技术研究宽带隙半导体的激发,发射等光谱特性.
(4)在国家同步辐射实验室建立专门的材料研究室和低维结构同步辐射应用研究平台,探索用同步辐射研究纳米材料的新实验方法和技术.软X射线波长恰好在纳米量级的范围,其探测深度也决定了它所激发的光电子只来自于最外层的纳米级表面,发展与纳米结构尺寸相近的软X射线实验技术,可以得到纳米体系的原子结构特征.
(5)通过建立专门的高水平材料研究室和低维结构同步辐射应用研究平台的建立,吸引和培养更多优秀的,国家科技发展需要的创新型人才.
2."利用同步辐射技术研究金属蛋白质的结构"子课题的主要建设内容:
同步辐射光源以其高准直性,高光通量和波长连续可调等特点在蛋白质晶体结构研究中具有不可替代的优点.在国际上所有的同步辐射装置中,应用于研究蛋白质晶体结构领域的线站是用户最多,成果最突出的线站之一.合肥同步辐射光源经过二期工程改造,光源质量经初步测试已基本满足常规衍射数据和部分反常散射数据收集的需要.以我校生命科学学院为牵头单位开展的中国科学院结构基因组学研究已被列入国家基金委重点项目,863专项和中科院重大行动计划.随着我国结构生物学的不断发展,
其他研究单位的蛋白质晶体结构研究对同步辐射光源的需求也不断增加.为此,改造国家同步辐射实验室的X射线衍射与散射光束线的聚焦系统,将目前光束线出口处加毛细管聚焦系统,以进一步缩小聚焦点处的光斑尺寸,提高样品处的通量密度.充分利用二维探测器迅速发展的高,新科技成果,在国家同步辐射试验室X射线衍射与散射实验站的Mar 345成像板系统和Huber Y衍射仪上增添高效,快速的电荷耦合器件(CCD)探测器,以减少数据收集时间.通过以上两项工作进一步完善国家同步辐射实验室的X射线衍射与散射实验站的数据收集系统的硬件设施,以满足同步辐射X射线进行生物大分子晶体结构数据收集高通量的需要.
X射线吸收精细结构谱学(EXAFS)是近年来兴起并且正在发展中的测定金属蛋白质分子局域精细结构的新方法(称为BioXAS),它的最大特点是对样品不需要特殊处理(如结晶和标记),并且在局域精细结构的测定中具有超过大部分晶体结构的高分辨率.目前国际上正在发展此项技术研究金属蛋白质的金属配位中心的区域结构.金属原子在氧化还原和与底物成键反应过程中的结构变化通常小于0.1 .迄今,还没有一项实验技术能够获得金属原子周围的精细结构信息,但XAFS是研究这种微小结构变化的理想工具.通过研究金属格点的几何结构和电子结构,XAFS结果可以用于指导选择性氧化反应的新型催化剂的设计和某些新药物的设计,对了解酶的催化,免疫响应,光合作用等过程有着关键作用.它不但对于基础研究,而且对于医药产业的开发也有极为重大的直接关系.如神经变性疾病老年性痴呆(Alzheimer,Creutzfeldt-Jakob)是一种对人类危害较大的疾病,现在的研究推测Cu2+和其它金属元素Zn,Mn等在上述病变中起着很大的作用.目前,只有通过XAFS方法可以获得这些金属原子周围的结构信息.
由于生物分子比较复杂,以及活性样品的浓度极低,需要BioXAS在实验技术(数据采集,信号提取)和理论分析上都必须发展得很完善才能满足要求.XAFS实验只能在同步辐射装置上进行,而且需要研究者和同步辐射装置专业人员的协作.正是这些原因导致BioXAS对生物样品的研究发展缓慢.但最近两年国外的BioXAFS研究已有了迅速的发展,特别是在实验技术和解谱方法方面.尽管我国在这一领域的整体研究几乎还没有开展,但由于部分科学家通过积极参与国际合作已掌握其核心理论和实验技术,离国际上研究前沿不远,为我国在此领域赶超世界先进水平进而占据世界领先地位提供了很好的机会.通过该项目的建设,在国家同步辐射实验室XAFS实验站建立起适合蛋白质溶液样品的实验装置和计算软件.
3."同步辐射光学工程研究室"子课题的主要建设内容:
光束线是连接同步辐射储存环和实验站的桥梁,是同步辐射仪器的重要组成部分,是同步辐射应用的基础.在世界上大多数同步辐射实验室中,都大力发展有关光束线方面的专门研究,以适应同步光源发展,适应科学的发展.
国家同步辐射实验室已经在一期工程,国家八.五计划和九.五计划中分别建设了五条,一条和八条光束线,包括了红外,真空紫外,软X-光和X-光波段的不同类型的光束线.在上述工作中,实验室培养了一只技术队伍,在光学,精密机械,超高真空,测试及系统调试等各主要技术环节有一定的技术积累.
为了实验室光束线的维护和改造,为了国内先进同步光源的发展,为了同步辐射应用人才培养,提出设立国内第一个同步辐射光学工程技术的研究室,建立光束线光学设计,元件研制及测量,总体调试的技术系统,开展同步辐射光学系统研究,关键单元技术的研发,光束线系统集成和人才培养等工作.
4."光阴极微波电子q的研究"子课题的主要建设内容:
随着同步辐射应用的发展,对光源亮度的要求越来越高,其解决办法是第四代光源——特别是基于直线加速的自由电子激光,而自由电子激光对电子束流的品质提出了很高的要求:更高的电子束亮度,更低的束流发射度,更低的束流能散,更高的峰值流强和更高的电子密度.由于缺乏阻尼机制,直线加速供给的束流的品质直接依赖于由注入器产生的束流的品质.对于基于直线加速的自由电子激光,由自由电子激光物理可知,只有电子束流的发射度满足的条件,自由电子激光的光场和电子束的耦合作用才会达到最佳的效果,其中是自由电子激光波长.略大的发射度要求相应地加长波荡器的长度.增加造价.因此为了满足发射度要求,很重要的一个环节是必须改进粒子注入器的性能.一般要求其发射度在几派毫米.毫弧度量级,脉冲束流上百安培.为达到这一要求,光阴极微波电子q被认为是最佳方案.如何获得短脉冲,高流强,低发射度,稳定性很高的电子源,近年来不少实验室在开展研究,并已取得较好的研究成果.
微波电子q和现在使用的直流q相比具有显著的优越性.因为击穿场强随着电磁波频率的升高而变大.最高的直流场强在不到几个兆电子伏特每米的情况下就会发生击穿.而在S波段的微波腔中,场强可达上百兆电子伏特每米.如此高的加速电场可以将电子在几个厘米的距离内加速到相对论速度.众所周知,空间电荷力的大小与γ2成反比,从而大大地减小了空间电荷效应对电子束初始发射度的影响.
C.H.Lee提出的用激光驱动的光阴极微波电子q.光阴极发射的电流脉冲结构由驱动激光器的脉冲结构所决定,可以使得电子脉冲的宽度窄到皮秒量级,在相空间中占空比较小,从而无须聚束装置进行聚束,其电荷量由激光束的强度决定,因此可以通过调整激光功率调整束流强度,也就是说电子束的时间特性和强度可以通过激光器的脉冲结构调整而进行.因此光阴极微波电子q可以得到更高的峰值电流密度,脉冲结构灵活可调.同时又因为微波电子q高场强特性,采用适当的发射度压缩技术,可以获得非常低的发射度.
目前几种电子q的比较:
电荷量(nc)
归一化横向发射度
(πmm.mrad)
rms束团长度
(ps)
γ
热阴极直流电子q
(Beoing Corporation)
1.2
6.4
5
20
光阴极直流电子q(SLAC)
8
100
5
80
热阴极微波电子q(SSRL)
0.3
30
1
4
光阴极微波电子q(BNL/ATF)
1
2.5
4.5
80
从表中可以看出,光阴极微波电子q明显好于其它类型电子q.
本子课题主要的建设内容:
设计并制作一个光阴极微波电子q腔体,该光阴极微波电子q腔体设计使用1.6腔的微波电子q,工作在2856MHz,π模式,铜阴极,在腔的出口采用螺线管进行发射度压缩.预计峰值加速场强120MV,电荷量1nc,峰值流强100A,在场横纵向均匀分布的入射激光激励下,可以获得1πmm.mrad左右发射度的电子束,对高斯分布激光束可以获得2～3πmm.mrad发射度的电子束,.
本项任务的要解决的三个难点:
(1)发射度的压缩,采用光阴极微波电子q就是为了获得低发射度,为达到这个目的,将采用螺线管进行发射度压缩,并对高强度激光脉冲进行整形.
(2)激光与高频微波高精度同步技术
(3)对光阴极微波电子q的电荷量抖动和时间抖动的灵敏度提出了较高要求,这些由激光器决定.
5."合肥储存环束流横向不稳定性的研究与抑制"子课题的主要建设内容:
建立一套束流横向不稳定性的研究与抑制的高速横向逐束团反馈系统,开展束流横向不稳定性的研究,并进行束流横向不稳定性的抑制.
高速束团反馈系统需要实时跟踪每个束团的横向位置信息,在适当的时候送出反馈信号.
高速横向逐束团反馈系统主要由三部分组成:
(1)检测单元:用来测量束流位置和横向振荡幅度,为系统提供误差信号
(2)信号处理单元:产生对束流激励的校正信号.它可以频域或时域实现,前者称为mode-by-mode 反馈,后者称为bunch-by-bunch反馈.由于数字技术的发展,采用数字方法具有经济有效等优点,所以人们常用数字方法实现bunch-by-bunch反馈,它包括A/D,DSP和D/A
(3)激励单元:由宽带功率放大器和激励器组成,对束流进行作用,从而实现束流横向不稳定性的抑制.
该系统的核心是RF前端检测器,高速的数字信号处理和激励器的研制.系统带宽由最小束团间隔决定.对于HLS,系统带宽约为100MHz.
6."等离子体约束和输运"子课题的主要建设内容:
以高温等离子体,低温等离子体,尘埃等离子体和非中性等离子体为研究载体,研究"等离子体约束和输运"这一等离子体物理各研究领域中带共性的亟待解决的前沿课题,带动和促进等离子体物理学科的进一步发展.具体内容有:(1)通过建立宽频带电磁波耦合激发等离子体和脉冲高流强电子发射注入激发,探索最优激发和耦合条件,研究环形磁约束准稳态等离子体的形成和维持,准稳态等离子体极向流与环向流的驱动问题研究准稳态下等离子体电流调制下的约束输运物理和技术,探索环形螺旋系统下,等离子体碰撞损失机制与直线近似的差别,静电和电磁湍流对粒子和能量的输运与约束的影响.(2)拟建立多功能ECR等离子体发生器,通过这一平台,开展低温等离子体输运过程的研究,进一步的期望通过输运过程的调节来控制等离子体加工,我们将开展对加工等离子体的空间分辨特性的研究.通过这些了解等离子体的输运过程特征.研究外界的电场,磁场,与热源相关的温度场等对输运过程的影响, 研究等离子体的电子温度的改变激发不同的化学反应对输运过程的影响,将这些研究和加工结果结合起来,通过这些研究积累数据,最终实现加工过程的有效控制.
7."极端条件下的核物质形态的实验研究"子课题的主要建设内容:
通过该子项目的研究,增加并丰富核与粒子物理重点学科的研究内容和发展方向,每年培养硕士生5-8名,博士研究生3-5名,与国内外有关单位联合培养研究生1-2名.积极做好人才引进工作,努力建设新型探测器研发实验室和极端条件下物质形态实验数据分析中心,扩大并改进PC Farm规模和性能,提高实验数据分析能力和水平建立精密时间幅度测量谱仪,使探测器研发实验室达到国内领先,世界上同类实验室的水平.通过项目的完成,既出成果,又出人才,为继续保持并发展该重点学科的先进水平打下坚实的基础.
8. "能量可调的强流脉冲慢正电子束"子课题的主要建设内容:
在200 MeV Linac基础上,建立能量可调的脉冲束正电子束,具体建设内容有:
(1)辐射转换和慢正电子束的产生
高能电子轰击辐射体时会产生高能正电子.充分退火的钨箔对高能正电子有较高的慢化转换效率,采用25 μ m的钨箔制成百叶窗式的慢化体.在慢化体的后面安置加有负电压的栅极对再发射的慢正电子进行收集,聚集电极进一步将其加速到100 eV并聚焦,形成慢正电子束.
(2)慢正电子束的输运及环境磁场补偿
正电子在磁场中会沿磁场方向作螺旋运动,不同初始横向动量的正电子具有不同的运动半径.对能量为50-100eV的正电子,磁场强度需100-150Gs,就可使束流半径小于10 mm.轴向磁场可由螺线管或Helmholz线圈产生用于慢正电子束的输运.
由于正电子能量低,输运路径长,地磁场等环境磁场会引起束流偏离管道轴线,因此必须用补偿磁场抵销束流的漂移.
(3)脉冲正电子束延伸为准直流束
Linac电子束脉重复频率低,每个脉冲产生的正电子数量大,会在探测器中引起堆积效应,因此必须将脉冲正电子束延伸为准直流束.采用三电极Pennins-trap装置可形成准直流单能正电子束.
(4) 能量可调的脉冲束正电子束
正电子在固体中的寿命约为几百PS,因此正电子脉冲宽度(FWHM)要求大约为200ps.要得到脉冲宽度足够小,束斑不大的正电子束,必须分三步对束流进行切割和聚束.先由三栅极组成斩波器,将准直流正电子来改造为脉冲宽度5ns的束团予聚束谐振腔内将束团予聚束到2ns 最后,在主聚束腔将束团成形为FWHM为200ps的脉冲.在靶上加可调负高压,就形成能量可调的脉冲正电子束.
(5)用于表面和近表面测量的正电子寿命谱仪
以脉冲正电子在样品中湮没产生的511 keV γ射线作为时幅转换(TAC)的起始信号,主聚束输出的时间信号延迟后作终止信号,TAC的输出由多道分析器(MCA)进行记录得到正电子注入样品后不同深度的寿命谱.
(6)辐射防护,束流监控,安全连锁系统
高能电子打靶产生的高能γ光子及其发生的(γ,n)反应产生的大量中子辐射必需屏蔽到安全水平,所以必需建立辐射防护,束流监控,安全连锁系统.以确保人身安全.
二,建设效益
通过该项目的建设,拟达到以下预期效益:
1."低维结构宽带隙半导体材料的制备和同步辐射研究"子课题
(1)自行设计,研制和建立一套量子点和纳米线等低维结构直接带隙宽禁带半导体材料制备系统.
(2)通过该项目的建设,并与其它项目的联合在国家同步辐射实验室组建专门的材料研究室,以利于材料低维结构同步辐射的深入研究,与同步辐射用户更广泛的交流以及更好地开展国际合作交流.拟开展国际合作交流课题1项,申请国家或省部级科研基金1-2项.
(3)制备ZnO和GaN等直接带隙宽禁带半导体材料的量子点,纳米线及其异质超晶格结构.
(4)取得ZnO和GaN等直接带隙宽禁带半导体材料的量子点,纳米线及其异质超晶格结构同步辐射电子能谱,光谱等的初步信息.
(5)拟发表相关的高水平研究论文10-15篇,培养研究生10名左右.争取申请专利1-2项.
2."利用同步辐射技术研究金属蛋白质的结构"子课题
通过以上几项的建设工作进一步完善国家同步辐射实验室X射线衍射与散射实验站的数据收集系统的硬件设施,以满足同步辐射X射线进行生物大分子晶体结构数据收集高通量的需要.
(1) 完成国家同步辐射试验室二期工程的基础上,建立和发展用于结构生物学的同步辐射X射线衍射技术,主要包括:
① 以同步辐射的高通量为基础的快速,高通量的数据收集手段.
② 利用同步辐射的波长连续可调特性,通过单波长反常散射方法解生物大分子晶体结构的相角问题.探索多波长反常散射在国家同步辐射实验室的X射线衍射与散射实验站上的可行性.
③ 建立多光束同步辐射X射线衍射测定结构因子相角的方法.在数据分析方面,将多光束衍射测定的多重结构因子相角结构不变量作为原始数值,利用直接法进行进一步的推引,修正,从而得到更多正确的相角.
(2) 配置图像工作站,安装蛋白质晶体结构分析常见软件,为用户提供及时的数据处理和结构分析条件,使用户及时了解衍射数据质量并现场调整数据收集方案.配置大容量硬盘以满足多用户的数据存储.
(3) 建立和发展应用同步辐射收集生物大分子晶体结构数据,以及单波长,多波长反常散射实验和多光束同步辐射X射线衍射实验所需的数据分析方法及相应的分析软件.
(4) 建立测定金属蛋白质局域精细结构测定的EXAFS理论和技术.
3."同步辐射光学工程研究室"子课题
(1)通过建立同步辐射光学工程研究室,系统开展光束线光学工程中的理论与技术研发工作,为同步辐射应用仪器研发提供技术支持,为国内先进同步光源的发展提供技术支持,为同步辐射应用人才培养提供支持.
(2)开展光束线单元技术的研究,在光学元件的变形设计,控制和检测方面开展研究工作,为弧矢聚焦晶体单色器,可变参数光学元件的设计等方面提供技术基础.
(3)根据光栅的像差理论和光学系统的要求,建立全息光栅像差矫正系统的优化方法,设计出像差矫正全息光栅.
(4)通过自己的技术力量改造光电子能谱光束线(软-X光波段),使它在效率和分辨率方面达到原设计指标,以便充分发挥该实验站的效益.
(5)完成同步辐射光学工程专业教材编写,设计相应实验,为同步辐射应用培养人才.
4."光阴极微波电子q的研究"子课题
(1)设计并制作一个光阴极微波电子q腔体,达到可以进行实用的地步.
(2)研究高强度激光脉冲整形技术,能够调整其结构分布,适合于光阴极微波电子q实验.
(3)发展激光与高频微波高精度同步技术,发展脉冲稳定的技术.
(4)发射度压缩技术研究.
(5)发展高功率束调管作为微波功率源.
(6)发展发射度测量技术.
(7)发展计算与处理分析的方法和技术.
(8)光阴极材料研究.
通过这项工作的完成,将使我们可以跟踪国际先进的加速水平,并在此基础上进一步发展高亮度的第四代光源.
5."合肥储存环束流横向不稳定性的研究与抑制"子课题
(1)研究分析束流横向不稳定性模式,进行束流横向不稳定性模式的理论研究
(2)利用研制的高速横向逐束团反馈系统进行束流横向不稳定性的抑制,提高束流流强,减小束流横向尺寸,降低束流发射度,从而提高束流品质,为光束线提供高品质和高稳定光源
(3)发展分析和处理不稳定性测量数据的计算方法及相应软件
(4)培养青年研究人员若干名.
6."等离子体约束和输运"子课题
通过本课题建设
建立一套(在国际上独)具特点的电磁波耦合激发等离子体和脉冲高流强电子发射激发注入的环形磁约束准稳态等离子体系统,将带动准稳态等离子体参数测量诊断等新技术和方法(例如,具有等离子体湍流研究必须的宽频带,低漂移,抗干扰的高性能信号隔离技术,和高时间高空间分辨海量实验数据压缩和处理技术等),更有效地开展磁化等离子体与特征波段电磁波相互作用机制与能量输运性质,磁场形态影响,与电流注入有关的碰撞输运等有关的基础物理问题研究.
建立多功能ECR等离子体发生器,可开展低温等离子体物理和应用研究,研究典型低温等离子体加工过程中(如薄膜的沉积过程),粒子流输运特征,离子体的能量的输运特征,外界源场如电场,磁场,温度场以及体系内可能的化学反应对输运过程的影响, 研究等离子体输运过程的动力学特征等.提高加工的效率, 积累数据,最终实现等离子体材料加工过程的有效控制.
7."极端条件下的核物质形态的实验研究"子课题
通过该子项目的实施,立足国内,加强国内外合作研究,建设实验核与粒子物理人才培养基地和新型探测器研发实验室,加强学科建设和人才队伍建设.
(1)增加并丰富核与粒子物理重点学科的研究内容和发展方向
(2)建设实验核与粒子物理人才培养基地,每年培养硕士生5-8名,博士研究生3-5名,与国内外有关单位联合培养研究生1-2名
(3)积极做好人才引进工作
(4)努力建设极端条件下物质形态实验数据分析中心,扩大并改进PC Farm规模和性能,提高实验数据分析能力和水平
(5)建设发展新型探测器研发实验室,建立精密时间幅度测量谱仪,使探测器研发实验室达到国内领先,世界上同类实验室的水平
通过项目的完成,既出成果,又出人才,为继续保持并发展该重点学科的先进水平打下坚实的基础.
8. "能量可调的强流脉冲慢正电子束"子课题
21世纪科学的发展将是微观与宏观的相互渗透与密切结合,凝聚态物理,材料科学等的研究,将由
现在的宏观统计方法(包括宏观量子统计)深入发展到物质的原子层次物性研究,微观粒子的量子效应越来越显示出重要作用,这些研究将对物质科学,信息科学及计算机等学科的发展起到关键作用.
由于上述课题涉及微观体系的多粒子问题,加之材料样品在制备过程中条件复杂,且难于精确控制,造成原子所处环境多变,微结构复杂,使得所研究的问题变得复杂而困难,必须采用多种手段从各不同角度观测,再综合分析,才能获得满意的结果.探测微观信息的手段已有不少,例如各种电镜,卢瑟福背散射,中子衍射,深能级瞬发谱,二次离子谱等,虽然各自给出了许多有价值的结果,但这些方法基本上不能给出原子尺度局域缺陷及微观物相变化的信息,也无法探测表面最外面几层原子的状况,并且多为破坏性测量或造成较大的辐照损伤.慢正电子技术恰好弥补了这些手段的不足.
慢正电子技术有如下特点:①对缺陷及原子尺度的微结构变化极为灵敏②无损探测③可探测真实表面(几个原子层)的物理化学信息④探测物体内部局域电子密度及动量分布⑤正电子,电子偶素探针可以获得电子探针无法得到的更多的物理信息⑥慢正电子技术具有能量可调性,因而可获得缺陷或结构不均匀性沿样品深度的分布,加之正电子具有分辨不同原子密度区域的能力,使慢正电子技术对复杂材料的分析有明显的优越性,因此有着十分广泛的应用,并不断发展新技术和拓宽应用领域.
预期效益
正电子对晶体的完整性及固体相变的高度灵敏性,是通过正电子捕获效应反映出来的. 可以用正电子湮没能谱多普勒展宽技术, 也可用正电子寿命定量测量来提供点阵缺陷的浓度,类型和内部结构等许多信息,而且应用范围广泛. 能量可调且单色性好的脉冲正电子束,使得对近表面及薄膜不同深度的寿命谱测量成为可能,这进一步扩充了研究范围.特别在以下几方面,可以充分发挥慢正电子束的特长.
表面和近表面缺陷研究用慢正电子束测量半导体缺陷有两大优点:
① 对空位有独特的灵敏度使之可以直接鉴别② 不受材料的掺杂与导电性的影响.
(2)表面和近表面微结构研究
凝聚态物理,材料科学的深入研究已经涉及到原子层次的微结构问题,包括电子结构和费米面形貌.工业界的生产也急需微结构与物性相关的知识,如微结构对大规模集成芯片的影响.量子点特性,表面界面微结构的变化,固体浅表面界面,离子注入区,各种应变层等非均匀结构系统和微结构变化,包括缺陷的种类,浓度,大小空洞的成长,成团,迁移和离解位错的结构和密度等.用俄歇电子能谱,透射电镜,卢瑟福背散射等测试手段都已成熟,但慢正电子束技术对缺陷灵敏性及无损检验等特性具有独到之处.
(3)异质结构膜,表面及界面
在材料科学和电子工程中,异质结构膜,表面及界面的性质有着重要的作用.另外界面的微结构对材料的物理特性也有着至关重要的影响.高Tc超导薄膜已进入应用阶段,对其薄膜及界面的缺陷和微结构的定量研究可以改善制备工艺,以获得高性能的器件.各种多层膜已被广泛地研究和应用,慢正电子束是一个理想的研究各种膜与界面的微结构的技术.
以上是凝聚态物理应用基础研究.
(4)材料科学
用于各种功能材料薄膜微结构的研究,例如:半导体(离子注入缺陷,金属/半导体界面,本征缺陷等)纳米材料超导薄膜高聚物材料防护膜涂层铁电,铁磁薄膜介孔材料等
综合上述, 本装置在学科建设和人才培养方面的效益可归纳为:
(1) 复杂材料的微结构与电子性质的研究提供新的分析测试平台.
(2) 学科建设:
① 扩展"粒子物理与核物理"重点学科的教学及科研领域,使本学科及相关的其他学科(凝聚态物理,材料科学等)交叉领域中进行高水平的基础和应用基础研究,培养复合型人才.
② 为其它许多学科的发展和提高研究水平提供了新的实验方法及研究手段.
(3) 队伍建设,人才培养:
① 在设备研制过程中培养高质量的大型科学仪器研发人才.
② 在应用研究过程中培养高质量的交叉学科研究人才.
三,验收指标
1."低维结构宽带隙半导体材料的制备和同步辐射研究"子课题
(1)低维结构材料制备系统一套,要求主室静态真空度达到10-11 torr量级,预室真空度达到10-10 torr量级.蒸发源温度达到1200℃以上,衬底温度可达到1000℃以上.
(2)与其它项目联合,在国家同步辐射实验室组建一个专门的同步辐射材料研究室.
(3)发表与低维结构材料生长和研究相关的高水平研究论文10-15篇,培养研究生10名左右.
(4)申请国家或省部级科研基金1-2项,国际合作交流课题1项.
2."利用同步辐射技术研究金属蛋白质的结构"子课题
(1)在国家同步辐射实验室X射线衍射与散射实验站,通过毛细管聚焦系统聚焦点处的光斑尺寸,将通量密度提高一个数量级以上(经费另筹),和更新CCD探测器方法以缩短每幅的阅读时间(约一秒左右),使总的数据采集时间减少一半以上.
(2)为了提高荧光探测效率在XAFS实验站建立27元固体探测器阵列装置(经费另筹),使探
所谓隐形只是通过反射和吸收雷达波的方式让雷达无法发现而已隐身材料是实现武器隐身的物质基础。武器装 备如飞机、舰船、导d等使用隐身材料后，可大大减小自身的信号特征，提高生存能力。隐身材料按频谱可分 为声、雷达、红外、可见光、激光隐身材料、按材料用途可分为隐身涂层材料和隐身结构材料。声隐身材料包 括消声材料，隔声材料，吸声材料及消声、隔声、吸声的复合体。主要用于新一代潜艇。雷达隐身材料能吸收雷 达波，使反射波减弱甚至不反射雷达波，从而达到隐身的目的。如日本研制的一种由电阻抗变换层和低阻抗谐振 层组成的宽频带高效吸波涂料，其中变换层由铁氧体和树脂混合组成，谐振层由铁氧体导电短纤维和树脂组成 ，在1～20吉赫的雷达波段上吸收率达20分贝以上。另外，一些由硅、碳、硼、玻璃纤维，以及某些陶瓷与有机聚 合物构成的复合材料，有很高的机械强度，可用于制作部分结构件，如飞机蒙皮、雷达天线罩等，同时又具有隐身 功能，这类材料称为隐身结构材料。红外隐射材料主要用于车辆、舰艇、军用飞机及其他军用设施，使这些装 备和设施的红外辐射与背景基本达到一致，敌人的红外探测器难以分辨。用铝粉及含有二价铁离子的材料作为 填充料，加到能透过红外线的粘结剂中，可构成红外隐身涂料。可见光隐身材料通常由铝粉、多属氧化物粉和有 机物复合而成，或由掺杂的半导体材料构成，可形成与背景颜色相匹配的迷彩图案，满足可见光隐身的要求。激 光隐身材料用来对抗激光制导武器、激光雷达和激光测距机，要求这些材料对激光的反射率低可吸收率高。对 隐身材料来说，对某种探测手段的隐身性能好，往往对另一种探测手段的隐身性能就不好。例如，对激光探测的 隐身性能好，对红外探测就不能隐身。这就是隐身材料的相容性问题。为解决这一问题，研制了兼容型隐身材 料，如雷达波、红外兼容隐身材料，红外、激光兼容隐身材料，雷达波、红外、激光等多种兼容的隐身材料等。 这是当前隐身材料的发展方向。
1.雷达吸波材料〔1〕
雷达吸波材料是最重要的隐身材料，其中尤以结构型雷达吸波材料和吸波涂料最为重要，国外目前已实用的主要也是这两类隐身材料。
(1)结构型雷达吸波材料
结构型雷达吸波材料是一种多功能复合材料，它既能承载作结构件，具备复合材料质轻、高强的优点，又能较好地吸收或透过电磁波，已成为当前隐身材料重要的发展方向。
国外的一些军机和导d均采用了结构型RAM，如SRAM导d的水平安定面，A-12机身边缘、机翼前缘和升降副翼，F-111飞机整流罩，B-1B和美英联合研制的鹞-Ⅱ飞机的进气道，以及日本三菱重工研制的空舰dASM-1和地舰dSSM-1的d翼等均采用了结构型RAM。近年来，复合材料的高速发展为结构吸波材料的研制提供了保障。新型热塑性PEEK(聚醚醚酮)、PES(聚醚砜)、PPS(聚苯硫醚)以及热固性的环氧树脂、双马来酰亚胺、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺和异氰酸酯等都具有比较好的介电性能，由它们制成的复合材料具有较好的雷达传输和透射性。采用的纤维包括有良好介电透射性的石英纤维、电磁波透射率高的聚乙烯纤维、聚四氟乙烯纤维、陶瓷纤维，以及玻纤、聚酰胺纤维。碳纤维对吸波结构具有特殊意义，近年来，国外对碳纤维作了大量改良工作，如改变碳纤维的横截面形状和大小，对碳纤维表面进行表面处理，从而改善碳纤维的电磁特性，以用于吸波结构。
美国空军研究发现将PEEK、PEK和PPS抽拉的单丝制成复丝分别与碳纤维、陶瓷纤维等按一定比例交替混杂成纱束，编织成各种织物后再与PEEK或PPS制成复合材料，具有优良的吸收雷达波性能，又兼具有重量轻、强度大、韧性好等特点。据称美国先进战术战斗机(ATF)结构的50%将采用这一类结构吸波材料，材料牌号为APC(HTX)。
国外典型的产品有用于B-2飞机机身和机翼蒙皮的雷达吸波结构，其使用了非圆截面(三叶形、C形)碳纤维和蜂窝夹芯复合材料结构。在该结构中，吸波物质的密度从外向内递增，并把多层透波蒙皮作面层，多层蒙皮与蜂窝芯之间嵌入电阻片，使雷达波照射在B-2的机身和机翼时，首先由多层透波蒙皮导入，进入的雷达在蜂窝芯内被吸收。该吸波材料的密度为0.032g/cm，蜂窝芯材在6-18GHz时，衰减达20dB；其它的产品如英国Plessey公司的"泡沫LA-1型"吸波结构以及在这一基础上发展的LA-3、LA-4、LA-1沿长度方向厚度在3.8～7.6cm变化，厚12mm时重2.8kg/m2，用轻质聚氨酯泡沫构成，在4.6～30GHz内入射波衰减大于10dB；Plessey公司的另一产品K-RAM由含磁损填料的芳酰胺纤维组成，厚5～10mm，重7～15kg/m2，在2～18GHz衰减大于7dB。美国Emerson公司的Eccosorb CR和Eccosorb MC系列有较好的吸波性，其中CR-114及CR-124已用于SRAM导d的水平安定面，密度为1.6～4.6kg/m2，耐热180℃，弯曲强度1050kg/cm2，在工作频带内的衰减为20dB左右。日本防卫厅技术研究所与东丽株式会社研制的吸波结构，由吸波层(由碳纤维或硅化硅纤维与树脂复合而成)、匹配层(由氧化锆、氧化铝、氮化硅或其它陶瓷制成)、反射层(由金属、薄膜或碳纤维织物制成)构成，厚2mm，10GHz时复介电数为14-j24、样品在7～17GHz内反射衰减>10dB。
在结构吸波材料领域，西方国家中以美国和日本的技术最为先进，尤其在复合材料、碳纤维、陶瓷纤维等研究领域，日本显示出强大的技术实力。英国的Plesey公司也是该领域的主要研究机构。
(2)雷达吸波涂料
雷达吸波涂料主要包括磁损性涂料和电损性涂料
磁损性涂料主要由铁氧体等磁性填料分散在介电聚合物中组成。目前国外航空器的雷达吸波涂层大都属于这一类。这种涂层在低频段内有较好的吸收性。美国Condictron公司的铁氧体系列涂料，厚1mm，在2～10GHz内衰减达10～12dB，耐热达500℃；Emerson公司的Eccosorb Coating 268E厚度1.27mm，重4.9kg/m2，在常用雷达频段内(1～16GHz)有良好的衰减性能(10dB)。磁损型涂料的实际重量通常为8～16kg/m2，因而降低重量是亟待解决的重要问题。
电损性涂料通常以各种形式的碳、SiC粉、金属或镀金属纤维为吸收剂，以介电聚合物为粘接剂所组成。这种涂料重量较轻(一般可低于4kg/m2)，高频吸收好，但厚度大，难以做到薄层宽频吸收，尚未见纯电损型涂层用于飞行器的报道。90年代美国Carnegie-Mellon大学发现了一系列非铁氧体型高效吸收剂，主要是一些视黄基席夫碱盐聚合物，其线型多烯主链上含有连接二价基的双链碳-氮结构，据称涂层可使雷达反射降低80%，比重只有铁氧体的1/10，有报道说这种涂层已用于B-2飞机。
(3)电路模拟吸收体和R卡
电路模拟吸收体是西方80年代研究的一种吸波机理和方法，它运用等铲电路技术对电阻片的电感、电容等参数进行分析和设计，以衰减大部分入射能量。与电路模拟吸收体相关的设计问题是频率选择表面(FSS)设计。电路模拟吸收体可以由吸波材料中周期性金属条、栅、片构成的电阻片制成，也可以采用带有刻蚀成专门设计的格网图案的金属或金属陶瓷涂层的介质薄膜或薄纤维织物，涂层材料和厚度决定电路模拟薄膜网格单元的有效电阻值；网格单元的循环间隔以及薄膜厚度的电性能可决定吸波体的电感和电容值。这种涂层可采用气相沉积或溅射方法敷于介质薄膜表面。典型的FSS有振子型、条带型、正交线型、矩型、圆形等形状。电路模拟吸收体图案比较复杂，一般由多个薄膜层组成。每层的设计不同且沿整个吸波体厚度变化，层间距离由设计频率确定。这种吸波体一般用于吸收宽频带电磁波，目前已用于隐身飞机座舱盖、隐身雷达天线罩的设计。
另一类吸波材料是称为R卡的电阻性薄膜和纤维织物。这些材料由介质基体材料与非常薄的真空沉积层、溅涂金属或金属陶瓷组成。R卡可利用沉积厚度逐渐变化和/或电阻率逐渐变化的材料构成分级涂层。R卡用于机翼时，能较好地满足气动外形的要求。在吸收前缘表面的次行波方面也很有效。
2.红外隐身材料〔1〕
红外隐身材料作为热红外隐身材料中最重要的品种，因其坚固耐用、成本低廉、制造施工方便，且不受目标几何形状限制等优点一直受到各国的重视，是近年来发展最快的热隐身材料，如美国陆军装备研究司令部、英国BTRRLC公司材料系统部、澳大利亚国防科技组织的材料研究室、德国PUSH GUNTER和瑞典巴拉居达公司均已开发了第二代产品，有些可兼容红外、毫米波和可见光。
近年来美国等西方国家在探索新型颜料和粘接剂等领域作了大量工作。新一代的热隐身涂料大多采用热红外透明度
[影响] 隐身材料是隐身技术的重要组成部分。武器系统采用隐身材料可以降低被探测率，提高自身的生存率，增加攻击性，获得最直接的军事效益。因此隐身材料的发展及其在飞机、主战坦克、舰船、箭d上应用，将成为国防高技术的重要组成部分。
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