同步輻射光源的科技發(fā)展及科學(xué)影響分析
——以歐洲同步輻射光源為例

李宜展 樊瀟瀟 曾 鋼 李澤霞*，5

（1．中國(guó)科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心，北京 100190；2．中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥 230026；3．中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所，北京 100049；4．中國(guó)科學(xué)院條件保障與財(cái)務(wù)局，北京100864；5．中國(guó)科學(xué)院大學(xué)圖書情報(bào)與檔案管理系，北京100190）

同步輻射是相對(duì)論性帶電粒子在電磁場(chǎng)的作用下沿彎轉(zhuǎn)軌道行進(jìn)時(shí)所發(fā)出的電磁輻射，具有從遠(yuǎn)紅外到 X光范圍內(nèi)的連續(xù)光譜，高強(qiáng)度、高度準(zhǔn)直、高度極化，具有時(shí)間結(jié)構(gòu)以及特性可精確控制等優(yōu)異性能。這種輻射會(huì)消耗加速器的能量，阻礙粒子能量的提高，因此在發(fā)現(xiàn)之初并未受到科研工作者的青睞。隨著同步輻射應(yīng)用可行性研究和儲(chǔ)存環(huán)建設(shè)的推進(jìn)，科學(xué)家逐漸發(fā)現(xiàn)同步輻射作為強(qiáng)大光源的潛力和前景［1，2］。半個(gè)多世紀(jì)以來，同步輻射光源經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段，從“寄生”在高能電子加速器上的“兼用設(shè)施”（第一代，20世紀(jì)60～70年代），到獨(dú)立于加速器的同步輻射光源（第二代，20世紀(jì)80年代），再到不斷刷新亮度的第三代（20世紀(jì)90年代）同步輻射設(shè)施，以及更高性能的衍射極限同步輻射光源。同步輻射光源廣泛地應(yīng)用于物理、化學(xué)、生命科學(xué)、地球科學(xué)與環(huán)境、能源、工程、文化遺產(chǎn)保護(hù)等眾多基礎(chǔ)學(xué)科和應(yīng)用學(xué)科領(lǐng)域，催生了一批重大科技前沿突破和亮點(diǎn)成果，成為開展戰(zhàn)略高技術(shù)研究、解決經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和重大科技問題的重要工具［3］。世界各國(guó)紛紛積極籌劃和部署同步輻射光源設(shè)施的建設(shè)與升級(jí)工作。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2018年6月全球范圍內(nèi)已建成或在建的同步輻射光源52個(gè)，是當(dāng)前世界上數(shù)量最多的一類平臺(tái)型重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。世界主要科技國(guó)家針對(duì)歐洲同步輻射光源 （ESRF）［4］、美國(guó)先進(jìn)光源（ALS）［5］、美國(guó)先進(jìn)光子源（APS）［6］等設(shè)施發(fā)布戰(zhàn)略規(guī)劃文件，大力推動(dòng)升級(jí)到下一代儲(chǔ)存環(huán)光源系統(tǒng)。美國(guó)NSLS-II、瑞典MAX IV、巴西光源等一批更高性能的光源投入建設(shè)。

我國(guó)建成了以北京同步輻射裝置（1990年對(duì)外開放）、合肥同步輻射裝置（1989年出光）、上海光源（2009年對(duì)外開放）為代表的第一、二、三代光源，為眾多基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)研究發(fā)揮了關(guān)鍵支撐作用，同時(shí)也為我國(guó)積累了一批光源建設(shè)的技術(shù)力量。按照規(guī)劃，將在2030年建成布局完整的光源體系，相關(guān)工作穩(wěn)步推進(jìn)：2016年 11月，上海光源線站二期工程開工；2018年12月，北京高能量同步輻射光源（HEPS）可行性研究報(bào)告獲得發(fā)改委正式批復(fù)；2018年11月，合肥低能量先進(jìn)光源預(yù)研工程的物理設(shè)計(jì)方案通過國(guó)際專家評(píng)審。未來，能區(qū)完整的光源體系將全面支撐我國(guó)科研人員的科研應(yīng)用需求和科技強(qiáng)國(guó)的建設(shè)任務(wù)。

不難看出，同步輻射光源的全球化競(jìng)賽日趨白熱化，原因在于科學(xué)研究突破越來越依賴于在一系列重大科技基礎(chǔ)設(shè)施上開展的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)，重大科技基礎(chǔ)設(shè)施在國(guó)家創(chuàng)新體系中地位凸顯，基于同步輻射科學(xué)的研究活動(dòng)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。在這一背景下，高性能的新一代同步輻射光源究竟在科技發(fā)展進(jìn)程中發(fā)揮著什么作用、影響程度如何，成為決策者和設(shè)施管理機(jī)構(gòu)關(guān)注的問題。

歐洲同步輻射光源是全球光源成功運(yùn)營(yíng)的典范。早在1975年，英國(guó)倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的Willianm Garton教授致信歐洲科學(xué)基金會(huì)，希望歐洲在同步加速器研究方面開展合作，隨后專家組提出了建造同步加速器設(shè)施的建議。1987年，ESRF的建設(shè)人員和相關(guān)科研工作者公開發(fā)表了有關(guān)設(shè)施技術(shù)可行性和設(shè)計(jì)的研究報(bào)告。在前期研究的基礎(chǔ)上，11個(gè)歐洲國(guó)家于1988年決定投資2．2億法郎，共同建造世界上首個(gè)第三代高能同步輻射光源——ESRF，設(shè)計(jì)電子束能量60億電子伏特（6GeV）［7］。本文以歐洲同步輻射光源（ESRF）為例，運(yùn)用文獻(xiàn)計(jì)量方法，從學(xué)術(shù)論文產(chǎn)出、研究主題演進(jìn)、優(yōu)勢(shì)機(jī)構(gòu)、國(guó)際合作以及重大科技突破等方面揭示同步輻射光源對(duì)科技發(fā)展的支撐和影響。同時(shí)，也為從文獻(xiàn)計(jì)量角度描述重大科技基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)揮的作用提供可行的分析框架。分析過程重點(diǎn)關(guān)注我國(guó)用戶和全球企業(yè)用戶利用ESRF開展研究的情況，以期為我國(guó)和產(chǎn)業(yè)界對(duì)高性能重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的需求分析提供參考。

1 數(shù)據(jù)與分析方法

1．1 數(shù)據(jù)集的構(gòu)建

構(gòu)建全覆蓋的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)集，從而全面獲取重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的產(chǎn)出是開展分析工作的基礎(chǔ)。已有研究指出，科技基礎(chǔ)設(shè)施或平臺(tái)成果可能跨越多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，難以以期刊為單位完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源的收集；利用設(shè)施名稱為核心的主題關(guān)鍵詞，在標(biāo)題、摘要、致謝等字段中實(shí)施檢索，也往往會(huì)遇到同名縮寫、表達(dá)規(guī)范性等因素的影響［8］。因此，本文利用 ESRF官方成果數(shù)據(jù)庫［9］收集的論文進(jìn)行分析。得益于ESRF成果數(shù)據(jù)的收集政策，該數(shù)據(jù)庫收錄了1987年至今基于ESRF的研究成果，包括學(xué)術(shù)論文、學(xué)位論文、技術(shù)報(bào)告、書籍等。

本文以科技文獻(xiàn)為分析對(duì)象（主要包括“來自ESRF的作者在ESRF上開展的研究工作”和“非ESRF的作者在ESRF上開展的研究工作”兩類），從成果數(shù)據(jù)庫中下載原始數(shù)據(jù)，提取 DOI字段，并在Web of Science數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行檢索，共得到1987—2017年發(fā)表的學(xué)術(shù)論文28929篇，數(shù)據(jù)獲取時(shí)間為2018年4月。

1．2 分析方法與指標(biāo)選擇

為揭示同步輻射光源對(duì)科技發(fā)展的支撐和影響，本文主要選取了三類文獻(xiàn)計(jì)量指標(biāo)：論文數(shù)量類指標(biāo)、論文引用類指標(biāo)和內(nèi)容分析類指標(biāo)［10］，從ESRF設(shè)施成果、中國(guó)用戶成果和企業(yè)用戶成果三個(gè)角度開展分析。其中，論文數(shù)量類指標(biāo)計(jì)量特定時(shí)間內(nèi)的論文數(shù)量，用以直接測(cè)度科研生產(chǎn)力，包括發(fā)表論文數(shù)量、重要論文數(shù)量和合作論文數(shù)量?；诖酥笜?biāo)構(gòu)建近三年活躍度指標(biāo)，即分析對(duì)象近三年的論文產(chǎn)出占其全部論文產(chǎn)出的比例，用以識(shí)別和衡量機(jī)構(gòu)或領(lǐng)域方向的活躍性。論文引用類指標(biāo)中，本文選擇了得到普遍認(rèn)可和廣泛應(yīng)用的總被引頻次、篇均被引頻次、被引論文比例三個(gè)指標(biāo)，用以測(cè)度分析對(duì)象的科研影響力。內(nèi)容分析類指標(biāo)主要采用了共詞分析、文本聚類技術(shù)，分析科研成果的主題特征、聚類特征，并通過時(shí)間序列分析方法展現(xiàn)主題的演化特征。上述指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算通過文獻(xiàn)計(jì)量分析軟件DDA、信息可視化軟件Vos Viewer等工具實(shí)現(xiàn)。

2 ESRF重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的科技發(fā)展分析

2．1 整體發(fā)展態(tài)勢(shì)分析

建設(shè)期間，ESRF的年發(fā)文量不足100篇；設(shè)施于1994年正式投入使用后，儲(chǔ)存環(huán)性能和光束線站數(shù)量不斷提升，發(fā)文量進(jìn)入快速增長(zhǎng)階段，個(gè)別年份發(fā)文量增長(zhǎng)率甚至超過60%；2007年后，ESRF的年發(fā)文量進(jìn)入較平穩(wěn)的產(chǎn)出階段，在1700篇處波動(dòng)，這在一定程度上是由于線站建設(shè)基本達(dá)到飽和，此時(shí)距投入使用約14年（圖1）。進(jìn)入二十世紀(jì)后，英國(guó)鉆石光源（Diamond）、瑞典MAX IV相繼投入使用，在滿足歐盟地區(qū)用戶對(duì)不同能區(qū)光源需求的同時(shí)，也促使ESRF的管理者探索如何吸引和穩(wěn)固更有創(chuàng)新力的科研團(tuán)隊(duì)、提高科研產(chǎn)出的質(zhì)量以及對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的支撐，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展。基于此，ESRF于2007年和2014年分別發(fā)布第一階段［11］和第二階段［12］升級(jí)計(jì)劃，共投入超過3億歐元，用于開發(fā)19條新光束線，建設(shè)新的儲(chǔ)存環(huán)和超穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)大廳，并支持實(shí)驗(yàn)設(shè)施的進(jìn)一步升級(jí)和更新。2017年，ESRF理事會(huì)宣布將在2018—2022年推出4條新光束線，分別為生命科學(xué)與醫(yī)藥研發(fā)、現(xiàn)代工程和生物材料、3D成像、古生物和考古領(lǐng)域中的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)過程觀察和研究提供新視角［13］，塑造獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和能力。

截至2017年，中國(guó)研究人員依托ESRF發(fā)表論文418篇（含與其他國(guó)家人員合著的論文），占ESRF發(fā)文總量的1．4%。1998年，中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所參與微重力環(huán)境下蛋白質(zhì)晶體運(yùn)動(dòng)和流體的合作研究，是我國(guó)利用ESRF開展實(shí)驗(yàn)的開端。2008年后，中國(guó)論文的產(chǎn)出步入快速增長(zhǎng)期，2017年發(fā)文量達(dá)到峰值55篇，在 ESRF年發(fā)文量中的占比也快速上升至3．5%（圖2）。再加上ESRF使用申請(qǐng)沒有通過的提案，和使用了設(shè)施后沒有發(fā)表論文的情況。那么，這一趨勢(shì)可以反映我國(guó)科研人員對(duì)高能同步輻射光源設(shè)施的旺盛需求。

截至2017年，全球企業(yè)用戶共發(fā)文1313篇，占發(fā)文總量的4．5%。在ESRF建設(shè)期間，德國(guó)柏林邁特納公司（Hahn Meitner Inst Kernforsch Berlin GmbH）和曼徹斯特大學(xué)就合作研究了在ESRF上開展康普頓散射研究的可能性。自正式投入使用至2005年，企業(yè)用戶發(fā)表的論文數(shù)量上升，隨后進(jìn)入平穩(wěn)階段，年發(fā)文量穩(wěn)定在70～90篇之間，約占ESRF年發(fā)文總量的5%（圖3）。企業(yè)用戶利用ESRF開展的研究活動(dòng)往往屬于應(yīng)用基礎(chǔ)研究和技術(shù)創(chuàng)新研究的范疇，體現(xiàn)了ESRF對(duì)產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展發(fā)揮了一定的支撐作用。值得注意的是，企業(yè)可以直接購買專用機(jī)時(shí)，且對(duì)學(xué)術(shù)論文產(chǎn)出不做強(qiáng)制要求。因此上述論文數(shù)據(jù)只能部分反映ESRF對(duì)企業(yè)技術(shù)研發(fā)工作的服務(wù)。

圖1 ESRF設(shè)施發(fā)文趨勢(shì)（1987—2017）Fig．1 Annual trend of ESRF papers（1987-2017）

2．2 研究主題變化分析

利用VosViewer繪制論文的作者關(guān)鍵詞（author keywords）共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，可揭示 ESRF研究主題的全貌和演化過程。通過分析發(fā)現(xiàn)，作為重要的的研究工具和平臺(tái)，ESRF支撐了廣泛的學(xué)科領(lǐng)域研究。最具代表性的是晶體學(xué)領(lǐng)域（crystallography），如探索維系生命的蛋白質(zhì)大分子結(jié)構(gòu)以理解其在生物體內(nèi)運(yùn)作的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，開展藥物研制與開發(fā)（protein、enzymes、drug design等）。其他的研究主題還包括：圍繞催化劑、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)態(tài)過程和物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化研究（catalysis、kinetics等）；探討材料電磁特性及其之間關(guān)系（electron transfer、magnetic等）。此外，ESRF還用于低輻射劑量、高清晰度醫(yī)學(xué)成像（tomography、radiography等），面向文物古跡的無損成像（damage free等），為地球與環(huán)境科學(xué)、工業(yè)材料研究提供超高溫、高壓等極端實(shí)驗(yàn)條件（high pressure、high temperature）等（圖 4）。

圖2 基于ESRF設(shè)施的中國(guó)論文產(chǎn)出（1998—2017）Fig．2 Annual trend of ESRF papers from Chinese users（1998-2017）

圖3 基于ESRF的企業(yè)論文產(chǎn)出（1987—2017）Fig．3 Annual trend of ESRF papers from enterprise users（1987-2017）

進(jìn)一步地，分析不同時(shí)間段研究主題聚類結(jié)果，發(fā)現(xiàn)ESRF的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，科學(xué)研究主題日益深入。2000年以前，論文數(shù)量和關(guān)鍵詞數(shù)量較少，研究主題網(wǎng)絡(luò)稀疏，研究?jī)?nèi)容主要涉及晶體學(xué)、斷層掃描成像、極端實(shí)驗(yàn)條件、界面反應(yīng)（interfaces）等。2001—2010年，論文數(shù)量較上一階段增長(zhǎng)了6倍，關(guān)鍵詞豐富度大幅增長(zhǎng)，應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展。期間，晶體學(xué)仍是研究的重點(diǎn)，憑借對(duì)晶體結(jié)構(gòu)優(yōu)秀的解析能力，科研人員開展如膜蛋白、抗體、酶等生物大分子相關(guān)的研究，理解關(guān)鍵生命過程，進(jìn)行藥物設(shè)計(jì)和研發(fā)。X射線成像是ESRF的基礎(chǔ)功能之一，科學(xué)家不斷改進(jìn)成像方法和技術(shù)，在斷層掃描、造影（radiography）、微束技術(shù)（microbeam）、立體成像和 X射線對(duì)目標(biāo)的滲透性（permeability）、破壞性（damage）等方面開展大量探索。同時(shí)，ESRF為新材料的研發(fā)提供了良好的平臺(tái)，研究?jī)?nèi)容涉及材料的磁性、電化學(xué)性質(zhì)、自組裝特性（self-assembly），以及新型儲(chǔ)氫材料（hydrogen storage materials）、各類催化劑與催化動(dòng)力機(jī)制（catalytic machanism）、工程材料的紋理與應(yīng)力（residual stress、fatigue）等。2011—2017年，ESRF的應(yīng)用進(jìn)一步深入，關(guān)鍵詞之間的聯(lián)系更加密集。結(jié)構(gòu)生物學(xué)（structural biology）及相關(guān)主題的詞頻增加，在ESRF平臺(tái)的支撐下，這一使用X射線晶體學(xué)等物理學(xué)技術(shù)、配合生物化學(xué)和分子生物學(xué)方法研究生物大分子結(jié)構(gòu)與功能的研究主題逐漸發(fā)展演化成新興熱點(diǎn)學(xué)科方向，同時(shí)也影響著原生學(xué)科——生物物理學(xué)的面貌；圍繞銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）、結(jié)核分枝桿菌（Mycobacterium tuberculosis）、大腸桿菌（E．coli）、癌癥（cancer）治療藥物研發(fā)的研究也變得更加集中。在斷層成像領(lǐng)域，金屬疲勞（fatigue）、金屬-有機(jī)框架（MOF）、微結(jié)構(gòu)分析（microstructure）研究成為關(guān)注點(diǎn)。利用原位X射線衍射技術(shù)（in situ）開發(fā)新型儲(chǔ)氫材料成為新材料開發(fā)中的熱點(diǎn)（圖5）。

圖4 ESRF研究主題分布（1987—2017）Fig．4 Research topics of ESRF（1987-2017）

分析我國(guó)論文的關(guān)鍵詞可以看出，國(guó)內(nèi)研究聚焦在先進(jìn)新材料與性能（nanoparticles、superconductivity、II-VI semiconductor、bulk metallic glasses、mechanical properties、thermal properties）、新型藥物研發(fā)（drug target、cancer、enzyme）、清潔能源的應(yīng)用（clean fuels）等方向（圖6），主題詞的體量和多樣性均有很大的發(fā)展空間。

可持續(xù)發(fā)展著重點(diǎn)放在生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和旅游資源的合理利用上，旅游業(yè)要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，不僅應(yīng)兼顧旅游業(yè)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平的協(xié)調(diào)性，也要考慮生態(tài)環(huán)境對(duì)旅游業(yè)發(fā)展規(guī)模的承載力，同時(shí)對(duì)旅游業(yè)自身以及相關(guān)行業(yè)的基本情況進(jìn)行系統(tǒng)化分析，制定一個(gè)合理的旅游發(fā)展戰(zhàn)略，促進(jìn)旅游業(yè)健康、持續(xù)的發(fā)展。

圖5 ESRF研究主題的演化（1987—2017）Fig．5 Evolution of research topics（1987-2017）

企業(yè)用戶則重點(diǎn)關(guān)注工程材料的應(yīng)力損傷（residual stress、texture）與原位檢測(cè)（in-situ x-ray diffraction）、新型藥物研發(fā)（drug discovery、inhibitor、HIV、antibody、protein engineering）、半 導(dǎo) 體（compound semiconductors、elemental semiconductor）等主題（圖 7）。

圖6 基于ESRF的我國(guó)科學(xué)研究熱點(diǎn)主題Fig．6 Hotspots of Chinese Scientific Research based on ESRF

圖7 基于ESRF的企業(yè)研究熱點(diǎn)主題Fig．7 Hotspots of Enterprise' Scientific Research based on ESRF

2．3 重點(diǎn)研究機(jī)構(gòu)分析

表1列出了基于ESRF發(fā)文數(shù)量排名前10位的機(jī)構(gòu)及其關(guān)注的研究領(lǐng)域。這些機(jī)構(gòu)均為科研院所或高校，集中分布在法國(guó)、德國(guó)、西班牙、英國(guó)、意大利5個(gè)國(guó)家，可見歐洲地區(qū)的研究型機(jī)構(gòu)是ESRF的主要用戶群體。從機(jī)構(gòu)的主要研究領(lǐng)域來看，10家機(jī)構(gòu)均涉及凝聚態(tài)物質(zhì)研究，在多學(xué)科交叉材料科學(xué)、生物化學(xué)與分子生物學(xué)、物理化學(xué)3個(gè)領(lǐng)域各有9家機(jī)構(gòu)布局，是成果產(chǎn)出最集中的研究方向。

表1 ESRF重要機(jī)構(gòu)用戶與研究領(lǐng)域Tab．1 Main users of ESRF and their subjects

在機(jī)構(gòu)層面，除ESRF建設(shè)依托單位歐洲同步輻射光源外，法國(guó)國(guó)家科學(xué)中心發(fā)文量最高（3477篇），產(chǎn)出最多的3個(gè)研究領(lǐng)域?yàn)樯锘瘜W(xué)與分子生物學(xué)、凝聚態(tài)物理、材料化學(xué)。德國(guó)亥姆霍茲學(xué)會(huì)發(fā)文量為1726篇，位列第3，主要圍繞材料科學(xué)、物理應(yīng)用等領(lǐng)域開展研究。亥姆霍茲學(xué)會(huì)是一個(gè)依托重大科學(xué)裝置建設(shè)的學(xué)術(shù)團(tuán)體，其發(fā)文量名列前茅也從側(cè)面反映出重大科學(xué)裝置之間的聯(lián)合應(yīng)用與合作關(guān)系緊密。法國(guó)格勒諾布爾大學(xué)發(fā)文量排名第4，但近三年活躍度名列前茅，因此未來該機(jī)構(gòu)的發(fā)文量排名有進(jìn)一步提升的可能。

聚焦到我國(guó)（表2），中國(guó)科學(xué)院利用 ESRF開展的研究數(shù)量最多（101篇），主要集中在生物化學(xué)與分子生物學(xué)、凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)以及多學(xué)科交叉領(lǐng)域，研究?jī)?nèi)容涉及古生物化石、相變過程、超導(dǎo)、藥物設(shè)計(jì)、儀器儀表、分子動(dòng)力學(xué)等。

ESRF的企業(yè)用戶主要來自德國(guó)、荷蘭、法國(guó)、瑞士、丹麥、奧地利等歐洲國(guó)家，非歐洲地區(qū)的企業(yè)僅有美國(guó)Global Phasing Ltd和 IBM兩家公司進(jìn)入前十。排名前三位的企業(yè)均來自德國(guó)，凝聚態(tài)物理、冶金、應(yīng)用物理和材料科學(xué)是其共同關(guān)注的重點(diǎn)，活躍期位于2000—2010年間，近三年活躍度均為0。法國(guó)的Sanofi、瑞士的 Novartis、丹麥的Novozymes是醫(yī)療健康、生物制藥領(lǐng)域具有全球影響力的大型跨國(guó)企業(yè)，它們利用ESRF開展了多項(xiàng)藥物研發(fā)、生命過程與機(jī)理研究。另外，荷蘭的DSM、德國(guó)的Bayer進(jìn)行了有關(guān)催化劑、結(jié)晶過程、磁測(cè)量、半導(dǎo)體、聚合物加工等化工、制藥領(lǐng)域的探索。美國(guó)IBM和荷蘭Philips重點(diǎn)關(guān)注與信息、電氣產(chǎn)業(yè)密切相關(guān)的光學(xué)、納米材料、成像研究（表3）。

表2 ESRF的中國(guó)用戶與研究方向Tab．2 Main Chinese users and their subjects

3 ESRF重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的科學(xué)影響分析

3．1 科學(xué)產(chǎn)出影響分析

3．1．1 學(xué)術(shù)影響

本節(jié)通過ESRF論文總被引頻次、篇均被引頻次的年度變化以及在 Nature、Science、PNAS國(guó)際高水平期刊上的發(fā)文比例分析ESRF的科學(xué)產(chǎn)出影響力。

ESRF論文產(chǎn)出總計(jì)被引用860269次，篇均被引29．74次。從時(shí)間趨勢(shì)來看（圖8），1994年以前，ESRF處于建設(shè)階段，發(fā)文量較少，總被引頻次低，篇均被引頻次波動(dòng)大。1994—1996年總被引頻次快速攀升，篇均被引頻次也大幅提高。1996年兩個(gè)指標(biāo)分別為17，907次和83次。此時(shí)篇均被引頻次達(dá)到最高值，單晶衍射實(shí)驗(yàn)中校準(zhǔn)方法和工具軟件開發(fā)、RNA的包裝原理與核酶催化過程兩項(xiàng)代表性研究貢獻(xiàn)了近四分之一的引用次數(shù)，前者是對(duì)實(shí)驗(yàn)工具的發(fā)展與開發(fā)，后者充分體現(xiàn)出ESRF對(duì)埃晶體結(jié)構(gòu)研究的重要支撐作用。1997—2001年間，總被引頻次由19750次上升到50635次，篇均被引頻次穩(wěn)定在46～53次之間。2001年和2009年，篇均被引和總被引頻次相繼進(jìn)入回落期，主要受到論文引用遲滯的影響。在所有論文中，有20篇論文被引頻次超過1000次，51篇超過500次，這些文章在蛋白質(zhì)工程、藥物研發(fā)、生化過程動(dòng)力學(xué)、考古與生物進(jìn)化等方向產(chǎn)生廣泛的影響。

表3 ESRF的重要企業(yè)用戶與研究方向Tab．3 Main enterprise users and their subjects

圖8 ESRF論文影響力分析Fig．8 Impact assessment of ESRF papers

我國(guó)的論文產(chǎn)出被引7733次，占總被引頻次的 0．90%，篇均被引頻次 18．5，低于 ESRF引用指標(biāo)的總體水平。從發(fā)展趨勢(shì)來看，我國(guó)在2006—2012年被引頻次上升較快，2011年達(dá)到頂峰1039次，篇均被引頻次在2008、2009年出現(xiàn)高峰，約為46次（圖9）。

圖9 我國(guó)論文影響力分析Fig．9 Impact assessment of papers of Chinese users

ESRF在國(guó)際高水平期刊 Nature、Science、PNAS上共發(fā)表文章 950篇，占產(chǎn)出總量的3．3%。1994—2004年，高水平論文產(chǎn)出快速增長(zhǎng)，從1994年的2篇提高到2004年的47篇，復(fù)合增長(zhǎng)率為37．1%。2005年進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定的高產(chǎn)出階段，平均每年發(fā)表60篇高水平論文，2013年后出現(xiàn)下降的趨勢(shì)（圖10）。

我國(guó)在上述期刊上共發(fā)表16篇高水平論文（Nature 3篇，Science 4篇），占中國(guó)產(chǎn)出總量的11．2%，高于ESRF高水平期刊產(chǎn)出占比，可見我國(guó)在亮點(diǎn)研究產(chǎn)出中表現(xiàn)較突出。這些研究分別來自于中國(guó)科學(xué)院（5）、北京大學(xué)（2）等12家機(jī)構(gòu)，其中華大基因是唯一一家企業(yè)用戶。成果內(nèi)容涉及DNA結(jié)合特異性、ATP酶的晶體結(jié)構(gòu)和作用機(jī)理、生物化石分析、硅藻生物硅化機(jī)理等。

3．1．2 學(xué)科發(fā)展與交叉

早期ESRF主要服務(wù)于凝聚態(tài)物理、應(yīng)用物理領(lǐng)域。進(jìn)入21世紀(jì)，在物理學(xué)領(lǐng)域的論文數(shù)量逐步增加的同時(shí)，生物化學(xué)和分子生物學(xué)領(lǐng)域研究呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，2004年后保持在年發(fā)文量400篇左右。多學(xué)科交叉材料科學(xué)發(fā)文量也呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但增長(zhǎng)速度不及前者。2008年后，生物化學(xué)和分子生物學(xué)領(lǐng)域的年發(fā)文量逐漸減少，而多學(xué)科交叉材料科學(xué)發(fā)文量一直保持相對(duì)穩(wěn)定，在2016年超過生物化學(xué)和分子生物學(xué)，成為發(fā)文量最多的學(xué)科（圖11）。從總發(fā)文量排名前十位的研究領(lǐng)域來看，近30年的發(fā)展歷程中，生物化學(xué)和分子生物學(xué)、物理化學(xué)、多學(xué)科交叉材料科學(xué)、多學(xué)科交叉化學(xué)等領(lǐng)域的論文數(shù)量或爆發(fā)式增長(zhǎng)，或穩(wěn)步提升，跨領(lǐng)域研究、學(xué)科交叉趨勢(shì)顯著。

圖10 ESRF頂級(jí)期刊論文產(chǎn)出Fig．10 Publications of ESRF papers on top-level journals

圖11 ESRF學(xué)科演化趨勢(shì)Fig．11 Evolution of Subjects of ESRF

對(duì)Web of Science學(xué)科分類進(jìn)行交叉矩陣分析發(fā)現(xiàn)，ESRF的論文中有13846篇涉及兩個(gè)及以上學(xué)科，跨學(xué)科、領(lǐng)域研究占總量的 47．9%。2000年以前，交叉研究最密集的領(lǐng)域?yàn)閼?yīng)用物理、裝置、光學(xué)；裝置、核物理、核科學(xué)技術(shù)；生物化學(xué)與分子生物學(xué)、生物物理和細(xì)胞生物學(xué)。前兩個(gè)交叉群團(tuán)主要涉及ESRF設(shè)施建設(shè)、方法、應(yīng)用原理。2001—2010年，生物化學(xué)與分子生物學(xué)領(lǐng)域和生物物理、晶體學(xué)、生物化學(xué)研究方法領(lǐng)域的交叉研究數(shù)量快速增長(zhǎng)；多學(xué)科交叉材料科學(xué)蓬勃發(fā)展，并與凝聚態(tài)物理、應(yīng)用物理、冶金工程、納米科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域交叉融合，這些研究往往基于相同的研究對(duì)象。2011—2017年，多學(xué)科交叉材料科學(xué)與納米科技領(lǐng)域的交叉研究占前者發(fā)文總量的31．4%，較上一時(shí)期提高了近14個(gè)百分點(diǎn)，與物理化學(xué)領(lǐng)域的交叉研究比重為45．9%，較上一時(shí)期提高提高近11個(gè)百分點(diǎn)，與冶金工程領(lǐng)域交叉研究的比重有所下降。

3．2 國(guó)際合作分析

目前有超過100個(gè)國(guó)家／地區(qū)利用 ESRF開展合作研究，兩個(gè)及以上國(guó)家／地區(qū)合著的論文占總量的 59．0%。ESRF所在地——法國(guó)，是國(guó)家合作網(wǎng)絡(luò)的中心，德國(guó)、英國(guó)、意大利是合作產(chǎn)出最多的3個(gè)國(guó)家，可見國(guó)際合作的地域特征明顯。但在不同的發(fā)展階段，國(guó)際合作格局有所差異。2000年以前，英國(guó)、美國(guó)、德國(guó)和意大利是主要的合作對(duì)象；2001—2010年，合作國(guó)家／地區(qū)數(shù)量從49個(gè)上升到88個(gè)，在相同的閾值條件下，合作網(wǎng)絡(luò)更加密集，西班牙、瑞士、荷蘭、瑞典進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)核心區(qū)；2011—2017年，合作國(guó)家超過 100個(gè)，其中法國(guó)與德國(guó)之間的合作關(guān)系更加緊密。在合作論文產(chǎn)出排名中，中國(guó)從29位上升到24位，再到17位，發(fā)文量和排名一直在進(jìn)步，但始終未進(jìn)入合作網(wǎng)絡(luò)的核心（圖12）。同時(shí)，ESRF向全球科學(xué)工作者提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，踐行合作共享的精神，有43．3%的論文作者機(jī)構(gòu)完全來自于法國(guó)以外的國(guó)家。

圖12 國(guó)家合作關(guān)系的演變Fig．12 Evolution of Cooperation Network

4 基于ESRF的重大突破及獲獎(jiǎng)

同步輻射光源以優(yōu)異的設(shè)施性能支撐科學(xué)工作者不斷探索未知世界，加深人類對(duì)自然界的理解，催生一批重大科學(xué)突破。ESRF支撐的自然科學(xué)類諾貝爾獎(jiǎng)共計(jì)3項(xiàng)，均為化學(xué)獎(jiǎng)（表4）。這些研究成果應(yīng)用了多種同步輻射設(shè)施，獲獎(jiǎng)?wù)咭膊⒎侵环植荚趽碛性O(shè)施條件的國(guó)家。2009年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主 Ada Yonath應(yīng)用了包括 ESRF、DESY、PSI等多個(gè)國(guó)家的多種同步輻射光源設(shè)施完成系列研究。

5 總結(jié)與展望

本文運(yùn)用文獻(xiàn)計(jì)量方法，以ESRF為例，從科學(xué)產(chǎn)出趨勢(shì)、研究主題演進(jìn)、優(yōu)勢(shì)研究單元、國(guó)際合作以及重大科技突破等方面揭示同步輻射光源對(duì)科技發(fā)展的支撐和影響，探討了我國(guó)科研工作者和全球企業(yè)用戶對(duì)ESRF的應(yīng)用情況和科學(xué)活動(dòng)特征，通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)：

1）面向同步輻射光源建設(shè)升級(jí)的前瞻性部署至關(guān)重要。當(dāng)前，同步輻射光源的全球化競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，把握科技發(fā)展態(tài)勢(shì)和科研需求，不斷升級(jí)設(shè)施性能和服務(wù)能力是同步輻射光源保持生命力的關(guān)鍵。當(dāng)ESRF線站基本飽和，進(jìn)入相對(duì)平穩(wěn)的產(chǎn)出階段后，即開始著手部署升級(jí)計(jì)劃。通過前瞻性的戰(zhàn)略部署，不斷提升設(shè)施性能和服務(wù)質(zhì)量，有助于同步輻射光源在科技發(fā)展進(jìn)程中發(fā)揮更大、更廣泛的支撐作用，使ESRF保持其綜合性能在國(guó)際上的領(lǐng)先地位。

2）同步輻射光源促進(jìn)學(xué)科交叉研究和新興學(xué)科分化。ESRF在不同時(shí)間階段的研究主題變化顯示同步輻射光源、X射線技術(shù)在結(jié)構(gòu)生物學(xué)分化和晶體學(xué)發(fā)展過程中扮演著重要角色，這是新興研究手段和實(shí)驗(yàn)方法發(fā)展帶來的學(xué)科演化與交叉的證明。當(dāng)前，利用同步輻射光源開展的多學(xué)科交叉研究蓬勃發(fā)展，促進(jìn)裝置與應(yīng)用物理、晶體學(xué)、生物化學(xué)、分子生物學(xué)等多個(gè)基礎(chǔ)學(xué)科、應(yīng)用學(xué)科交叉。伴隨著研究?jī)?nèi)容的深入和研究領(lǐng)域的拓展，有望催生更多的新興交叉學(xué)科和技術(shù)分支。

表4 基于同步輻射光源的諾貝爾獎(jiǎng)Tab．4 Nobel Prize based on synchrotron radiation facilities

3）同步輻射光源成為國(guó)際合作的紐帶和產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)的平臺(tái)。國(guó)際合作貫穿于ESRF建設(shè)、升級(jí)和運(yùn)營(yíng)管理等整個(gè)全生命周期過程中。數(shù)據(jù)的產(chǎn)出分布和合作結(jié)構(gòu)也很好地體現(xiàn)了各個(gè)國(guó)家對(duì)ESRF的投入及其對(duì)應(yīng)的權(quán)益情況。歐盟國(guó)家基于ESRF的合作關(guān)系更為緊密，表現(xiàn)出較明顯的地域特征，這與歐盟科技創(chuàng)新一體化發(fā)展宗旨和完善的科技合作機(jī)制不無關(guān)系。此外，美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家也是其重要的合作對(duì)象，多國(guó)多光源聯(lián)合應(yīng)用有力地支撐了多項(xiàng)世界頂級(jí)科研成果，使同步輻射光源成為人類不斷拓展認(rèn)知邊界的利器。我國(guó)未進(jìn)入ESRF合作網(wǎng)絡(luò)的核心，但在高水平研究成果產(chǎn)出中有較好的表現(xiàn)。在產(chǎn)研合作方面，ESRF為瑞士諾華制藥、美國(guó)IBM集團(tuán)、德國(guó)拜耳集團(tuán)等大型跨國(guó)企業(yè)提供服務(wù)，給予其開展前沿技術(shù)探索的機(jī)會(huì)，在藥物研發(fā)、半導(dǎo)體制造、化工等領(lǐng)域助力企業(yè)塑造核心競(jìng)爭(zhēng)力。

4）ESRF有力支撐不同學(xué)科方向的進(jìn)展與突破。早期同步輻射光源的研究成果集中于物理應(yīng)用、光學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科方向，這與光源同步加速原理研究和設(shè)施工程建設(shè)密切相關(guān)。ESRF同步輻射光源憑借優(yōu)秀的解析能力在蛋白質(zhì)、核糖體、酶等生物大分子結(jié)構(gòu)分析中大放異彩，對(duì)結(jié)構(gòu)生物學(xué)產(chǎn)生極大的推動(dòng)作用。同時(shí)，還支撐了多項(xiàng)世界頂級(jí)科學(xué)突破和一系列高水平科學(xué)成果，并向蛋白質(zhì)工程、藥物研發(fā)等綜合應(yīng)用領(lǐng)域快速拓展。同步輻射極大提升了人們對(duì)物質(zhì)精細(xì)調(diào)控的能力，使物質(zhì)材料在醫(yī)學(xué)、能源、通信、環(huán)境、地理、天文，乃至文化遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域中發(fā)揮越來越重要的作用。對(duì)物質(zhì)的電磁性質(zhì)、催化過程、界面反應(yīng)以及先進(jìn)材料的設(shè)計(jì)、控制與改良研究成為新一輪的關(guān)注重點(diǎn)，有超越生命科學(xué)應(yīng)用的趨勢(shì)。

近年來，我國(guó)同步輻射光源體系化發(fā)展取得顯著成效，這得益于國(guó)家科學(xué)合理的統(tǒng)籌布局，但在激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下，仍需要積極探索設(shè)施相關(guān)新理念、新技術(shù)、新方法，前瞻布局，密切跟蹤全球光源設(shè)施的發(fā)展動(dòng)態(tài)，根據(jù)科研需求統(tǒng)籌發(fā)展線站設(shè)施、配套儀器和軟件工具，充分發(fā)揮國(guó)內(nèi)同步輻射光源的科技支撐能力。堅(jiān)持開放共享，積極發(fā)揮重大科技基礎(chǔ)設(shè)施在多學(xué)科交叉研究、國(guó)際合作、人才吸引和科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化中的平臺(tái)和紐帶作用，可考慮以設(shè)施聯(lián)盟、科研社區(qū)建設(shè)為抓手，吸引全球科技創(chuàng)新資源，以扭轉(zhuǎn)國(guó)內(nèi)設(shè)施“重建設(shè)、輕應(yīng)用”的問題。同時(shí)，也要提高設(shè)施運(yùn)營(yíng)管理水平，運(yùn)用績(jī)效評(píng)價(jià)這一指揮棒，建立完善的設(shè)施運(yùn)營(yíng)績(jī)效評(píng)估體系，合理配置創(chuàng)新資源。