美国布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory，简称BNL）的国家同步辐射光源（National Synchrotron Light Source，简称NSLS）分为两个储存环，小环称为真空紫外环，建于1984年，约有25条光束线，主要提供紫外、可见、红外及部分X光。大环称为X光环，建于1986年，约有60条光束线，产生比真空紫外环能量更高的X光。NSLS每天24小时运行，可同时进行80个以上的不同的实验，每年为400多个学术界、工业界和政府研究机构的2500名科学家提供重要的科研手段。他们无数的研究项目每年大约出650篇论文，其中有125篇以上的论文刊登在主要的学术杂志上。

用户因利用NSLS同步辐射光开展既新颖又影响大的研究获得了应得的荣誉（右图为NSLS的光束线）。围绕NSLS光源，各种各样独一无二和富有成果的科研人员已经成长起来。NSLS提供的广泛光子能量范围吸引了许多领域里的研究人员聚集在一个比较紧凑的环境里开展工作，促进了在其他情况下不可能的合作。在BNL和NSLS的鼓励下，这一科研群体从美国东北部的科技部门吸纳了许多人才，不断得到壮大。

NSLS成为世界上建设第三代光源的起点，之后建设的许多同类装置在它的布局基础上进行了改进，加入了更多的部件和插入件，最后的技术性能超过NSLS。经过20年的不断改进，NSLS的性能实际上已达到极限。保持和提高NSLS用户的积极性和用户的数量，需要继续提供能够满足它们现在和将来科学上的需要。认识到这一事实，迫使NSLS提出研制一种超过其本身的新装置，提供更高的平均亮度和通量。这一新的装置被称为NSLS-II，它将保留构成现行NSLS研究特点的跨学科性质，同时提供新的能力以满足用户的进一步要求。通过开发和建造新的最先进的中能储存环，利用其在世界上最先进的性能同时为许多用户服务，就可最佳地实现这一目标。 

计划中的NSLS-II是个最先进的中能电子储存环（3 GeV），旨在实现等量输出，亮度和通亮都达到世界之最。该装置产生的X射线的亮度将比现在的NSLS高10000倍，设计工作将于2005年开始，计划2008年建造，2012年投入运行。 

NSLS-II在由20多个插入装置产生的2-20 KeV的能量范围内，提供的光峰值亮度大于10²¹ 光子/秒/0.1%带宽/毫米²/毫弧度²。目前正在考虑按最佳运行方式来设计储存环，使电流保持在500毫安，给光束线的光学仪器提供稳定的热负载。为使3 GeV的 机器在2-20 KeV能量范围内的性能达到最佳，考虑采用短周期(10-15 mm)、小间隙(5 mm)的超导波荡器。 

NSLS-II采用的储存环磁聚焦结构类型正在积极讨论中，以便确定最大限度地满足用户的需要并使机器性能达到最佳，从而获得高亮度。通常的磁聚焦结构由24个TBA结构组成，周长在550-600米的范围内，水平发射度在3 GeV时约为1.5 nm。这样一个结构完全满足用户预期对约20个插入件和超低发射度约1.5 nm的需要，将来可以将其改进为能量回收直线加速器运行模式。除TBA结构外，也在研究DBS和QBA结构。每种结构都有利有弊，设计者正与用户一起研讨，以确定其最佳结构。至于所有超高亮度电子环，最大的挑战是用非线性六极铁补偿磁聚焦结构的大色差，同时使电子束的稳定相位空间区域达到最大，即所谓的"动态孔径挑战"。 

NSLS-II计划采用500 MHz的超导高频系统。超导高频系统在利用像LEP和KEKB加速器开展高能物理研究中已经证明了自己，最近CLS、DIAMOND和SRRC光源都采用了超导高频系统。超导的特性可大大降低对高频功率的要求，大孔径腔体的"单模"设计可以不用消除耦合束团不稳定性的反馈系统。正在考虑采用Cornell和KEK的设计，超导高频系统在欧洲和日本都可买到。根据高频功率耦合器研制的进展情况，将需要2个或3个腔体。

NSLS-II的性能指标见下图：显示了与目前的NSLS（黑色）相比的NSLS-II（红色）的插入件和二极磁铁的平均亮度（左）和通量（右）（U=波荡器，W=扭摆磁铁，BM=弯转磁铁）。

NSLS-II的额定参数如下：

NSLS-II将带来新的科学机遇，其特点和它所提供的各种能力的组合在未来几十年内将对国家主要的科学研究项目产生重大影响：

- 在国家卫生研究院结构基因组、能源部基因组到生命和其他主要研究项目中起关键作用；

- 大大提高研究凝聚态物理和材料科学的实验能力； 

- 提供范围广泛的纳米分辨率探测器，满足国家迅速增加的纳米科学计划； 

- 对决定地球和星体演化的过程提供新的解释。 

这些研究项目涵盖以下广泛的不同学科和研究领域： 

1、生命科学

（1）结构生物学：NSLS-II的亮度能够使科研人员解决膜蛋白、大分子组合、药物设计和结构基因组领域里日益困难的问题。

（2）生物医学成像：NSLS-II在软X射线和硬X射线光谱范围内的高亮度能大大提高软X射线成像和硬X射线微探针的空间分辨率。分辨率约为10钠米的整个细胞成像将成为可能。另外，采用冷冻俘获法可探索细胞过程。 

2、材料科学

（1）电子关联系统：NSLS-II将极大地提高许多实验技术的能力，特别是1）利用高能光子约1MeV高分辨率光电子发射技术，使该技术能用在更多样品上；2）约10MeV分辨率非弹性散射技术，用于研究电子激励；3）利用相干X射线研究动态学和使复杂区域成像。 

（2）磁性和磁性材料：NSLS-II的高亮度和椭圆型极化插入件或极化转换光学设备将极大提高自旋分辨光电子发射、X射线磁性圆二色和共振磁性X射线散射技术的灵敏度，以及这些技术的空间和时间分辨率。 

（3）物质和生物材料：过去20 年中，同步辐射在了解弱散射系统的排序性质中起到重要作用。最近，注意力集中到了混合系统上。NSLS-II的高亮度可使研究人员应对确定混合系统中基本排序的主要科学挑战。 

（4）先进材料的生成和处理：NSLS-II的高亮度将使实时X射线的研究扩展到微秒级。原子在表面漫射正是在微秒级，这种漫射是许多重要过程的最早阶段。也可利用实时成像重建技术用相干X射线开展斑点实验。 

3、化学科学

催化剂：NSLS-II的高亮度会将1）现有的技术扩展到在微秒或微秒以下对催化过程的动力学开展时间分辨研究；2）启动新实验技术的应用，像高分辨率X射线发射光谱和X射线Raman散射，提供新的光谱信息；3）可用好于10nm模型系统的光谱显微表征描述新的钠米尺寸催化材料、活性区和模型系统中的吸附物-基旨的相互作用的特点；4）能对模型系统进行高压研究，帮助填补压力空白。

4、纳米科学 

NSLS-II的高亮度，连同最近在X射线聚焦光学仪器取得的进展和新的相干X射线成像技术，能使研究人员确定很多不足10钠米空间分辨率的钠米材料的原子结构和化学组成。另外，NSLS-II靠近功能性钠米材料研究中心（CFN）。该中心2007年建成后，可使两者的用户充分利用这两个装置的科学诀窍和仪器设备。 

5、地球科学

NSLS-II的高亮度将在更广泛的压力和温度范围内，从有限能力的探索研究到全面材料的表征高精度研究，根本改变高压实验的性质。特别是可以研究高压高温时流变学特性、声子相关特性和化学反应动态特性。 

6、环境科学 

NSLS-II的高亮度通过提供元素特征、高空间和能量分辨率、低浓度探测能力和环境介质中的工作能力，将产生一个表征的新水平。

（高能所科研处制作  内容来自侯儒成翻译的资料及NSLS网站）