0 引言
同步辐射是速度接近光速的带电粒子在磁场中沿弧形轨道作变速运动时发出的电磁辐射，拥有频谱分布宽阔、亮度高、发散角小、相干性好等优异特性
[1]。同步辐射在半个多世纪的发展过程中，经历了4个阶段3次技术迭代。第一代同步辐射光源是与高能物理研究兼用的设施；第二代同步辐射光源是专注同步辐射研究的专用设施；第三代同步辐射光源是多插入件、小发射度、高亮度的更高性能的专用设施
[2]；第四代同步辐射光源基于多弯铁消色散磁聚焦结构，发射度接近或者达到衍射极限。目前正在向第四代同步辐射光源过渡，近年来陆续有新的四代同步辐射光源设施建成，多个同步辐射光源正在升级为四代光源，科学家们仍在继续开展对第四代同步辐射光源的探索与研发工作
[3]。
当前世界科技竞争日趋激烈，多学科交叉融合不断推进，国际科技竞争向基础前沿前移，加强基础研究发展显得尤为紧迫；同时，颠覆性技术不断涌现，应用试验持续拓展。而同步辐射光源能够开展多学科、高度精细的实验研究，且有大量的实验手段只能在同步辐射光源设施中实现，同步辐射光源为原子分子物理
[4]、材料
[5]、医学
[6]、考古学
[7]、化学
[8]、地球科学与环境
[9-10]、能源
[11]等众多基础学科、交叉学科与应用学科提供了不可替代的研究技术与手段。迄今为止，同步辐射开展的研究已摘得5次诺贝尔奖。世界各国因此积极组织规划同步辐射光源的建设与升级任务
[12-13]，目前，同步辐射光源已经成为世界上数量最多的公共实验平台类重大科技基础设施之一。在已建成运行的同步辐射光源中，日本的SPring-8（Super Photon ring-8）、美国的先进光子源APS（Advanced Photon Source）、法国的欧洲同步辐射光源ESRF（Europe Synchrotron Radiation Facility）并称为世界三大高能（电子束能量超过5 GeV）同步辐射设施。目前已有多位学者对ESRF的科研产出进行了分析
[14]，将其作为案例探究同步辐射光源对科技发展的作用和产生的科学影响。在全球同步辐射光源进入第四代的背景下，SPring-8也将于2025年开始升级改造至SPring-8 II。SPring-8在过往20余年的运行中，相较于其他同步辐射光源，SPring-8提供的光束亮度和稳定性具有极大的优势，能够支持更加精确和多样化的实验，支持用户在不同领域开展前沿研究，为科学研究、产业应用都做出了贡献。立足于SPring-8升级改造至第四代的关键节点，此时正是回顾其科研产出及其科学影响的合适时机。因此本研究以日本SPring-8作为研究对象，分析其科研产出的态势，以更好地认识同步辐射光源发挥的科技作用和产生的科学影响力。
日本同步辐射光源SPring-8是世界上能量最高的第三代同步辐射光源，输出功率为8 GeV，储存环周长约1436 m，首期投资约1100亿日元，目前已建成55条光束线，规划和正在建设中的光束线2条，已建成的光束线中公共光束线26条，合同专用线13条，理化学研究所（RIKEN）光束线16条。自1988年10月建立日本原子力研究所（JAERI）和RIKEN合作组，进行大型同步辐射设施的设计和研发工作，1997年10月工程竣工，光源开放。SPring-8由RIKEN管理，日本同步辐射研究机构（Japan Synchrotron Radiation Research Institute，JASRI）受RIKEN委托负责SPring-8的运行维护、用户服务、升级改造、科技研发等管理工作
[15]。SPring-8在生命科学、软物质、材料结构科学、电子性质、高压地球科学、环境与能源、核物理等领域都做出了重要科研成果
[16]，同时在材料设计、电池开发等具体产业应用中发挥了重要作用
[17]，SPring-8产生了多个重大成果，获得了日本物理学会物理学学术论文奖、日本化学学会奖、高分子科学学会奖、日本金属学会奖、日本同步辐射研究学会奖、日本高压科学技术学会奖、日本晶体学会奖等多个奖项
[18]。
本文以日本第三代同步辐射光源SPring-8作为研究对象，采用文献计量和聚类分析的方法，从论文数量、影响力、学科领域、研究主题、关联实验技术等，对SPring-8科研产出进行了分析，以期对中国同步辐射光源的应用发展及相关研究的开展提供参考。
1 数据与方法
1.1 数据来源
SPring-8官方要求设施用户，将依托SPring-8开展研究和发表的成果提交至SPring-8出版物成果数据库
[19]，以作为设施评估及评审公共光束线实验绩效的参考；数据库收集了1998年至今依托SPring-8开展研究的成果产出，包括学位论文、经过同行评审的学术论文、奖项、研究报告、专著、受邀讲座等，类型丰富；本研究数据来自SPring-8官方出版物成果数据库。
本研究以经过同行评审的学术论文作为研究对象（主要包括期刊论文和会议论文），使用Python编写爬虫程序，共获得22784个DOI信息，在Web of Science数据库中对下载结果进行检索，检索时间为2024年8月19日，共得到19800篇论文，作为分析数据源。
1.2 分析方法
本文采用文献计量学的方法，选取发文数量作为衡量科研生产力的重要指标，通过计算篇均被引频次测度科研产出的影响力，将近5年发文数量占总发文数量的比值作为评估科研产出活跃度的参考依据，通过论文作者共现衡量合作情况。此外，本文应用聚类分析法，利用文本聚类可视化软件VOSviewer
[20]进行关键词聚类分析，使用LDA主题模型对论文的标题与摘要文本进行分析，探究SPring-8科研产出的研究主题等特征。本文利用数据分析软件Derwent Data Analyzer（DDA）
[21]和Microsoft Excel分别进行数据清洗、指标统计、计算和图表绘制，利用DDA构建基于论文的国家和机构合作关系。
2 依托SPring-8开展研究的现状与趋势
2.1 年度变化趋势
发表论文的数量能够从一定程度上反映研究开展的规模，
图1展示了SPring-8的发文数量和增长率的年度趋势。SPring-8 1988年开始筹备，在筹备建设期间，SPring-8总发文量不足50篇；1997年10月，SPring-8正式启用后，随着不断建设，发表论文数量逐年增长，仅2001年的发文量翻了一番；2006年，日本实施《促进公共利用特定先进大型研究设施法》
[22]，SPring-8的管理机构日本同步辐射研究所JASRI加大SPring-8公共使用的力度，发挥其作为公共实验平台的服务属性，SPring-8的年发文量稳步攀升；2011年后，SPring-8的年发文量保持在相对平稳的状态，发表论文的数量在900篇左右，距启用已过去约14年，SPring-8的线站建设已逐步完善，较稳定地面向日本和全球科研人员开展支撑服务。
2.2 主要国家/地区分布
1989年以来，依托SPring-8开展研究发表论文的国家/地区共有87个，发文量排名前10位国家/地区分别是日本、美国、中国大陆、德国、中国台湾、法国、英国、韩国、澳大利亚和俄罗斯（统计数据基于全作者统计）；其中日本发文量达18544篇，占SPring-8总发文量的93.66%，发文量遥遥领先，体现出日本作为SPring-8设施所有国的优势。美国发表论文1479篇，位居第2。中国大陆发表论文959篇，位于第3。中国台湾在SPring-8投资建设了2条专用线站（BL12B2、BL12XU），在SPring-8开展研究发表论文上具有一定优势，发表论文909篇，发文量居于第5位。规模最大的国际合作集群位于欧洲，包括：丹麦、匈牙利、德国、挪威、法国、波兰、瑞典、瑞士、罗马尼亚、芬兰等国家。日本与美国、德国、中国大陆、法国、英国的合作较为紧密。国家/地区合作论文数为4726篇，占论文总量的24%，展现出SPring-8作为公共实验平台类重大科技基础设施对国际合作与交流做出了科学贡献。
为进一步比较发文量Top10国家/地区发表论文的影响力与活跃度，本文计算了发文量Top10国家/地区的篇均被引频次和近5年发文占比。在发文量Top10的国家/地区中，美国以篇均被引59.28次居于首位，中国大陆（49.86次）和韩国（47.95次）紧随其后。除日本外，近5年中国大陆发文数量（426篇）略高于美国（421篇），且中国大陆近5年发文占比接近50%，说明中国大陆近年使用SPring-8开展研究较为活跃（
表1）。
2.3 主要机构分布
表2是发文量排名前10位的机构发文数量、论文影响力与发文活跃度等情况。依托SPring-8开展研究发表论文数量排名前10位机构分别是日本同步辐射研究所、日本理化学研究所、东京大学、京都大学、大阪大学、日本东北大学、日本科学技术振兴机构、日本原子能机构、东京工业大学、日本国立物质材料研究所。日本同步辐射研究所（JASRI）作为SPring-8的委托管理运行机构，以6364篇的发文量居首位，数量超过日本总发文量的1/3，是排名第2位的日本理化学研究所（RIKEN）发表论文数量的近2倍。发文量排名第2位的日本理化学研究所（RIKEN）作为SPring-8的建设和资助机构，发表论文3274篇，东京大学发表论文3261篇，排名第3位。东京大学在SPring-8建设了1条合同专用线（BL07LSU）专门用于材料科学的相关研究
[23]，该条线站于2009年11月启用，故其依托SPring-8开展研究发表论文具有一定的优势。除此以外，京都大学、大阪大学、日本原子能机构（JAEA）、日本国立物质材料研究所（NIMS）在SPring-8都有相应的专用线站。京都大学的专用线站BL28XU于2012年4月启用，用于研究可充电电池反应和电池相关材料。大阪大学的专用线站BL31LEP、BL33LEP、BL44XU分别用于激光电子光子、生物大分子组合物的晶体结构分析。JAEA的专用线站BL22XU、BL23SU用于锕系元素科学的研究。NIMS的专用宽能量束线用于先进材料研究
[24]。
从发表论文的影响力分析，日本科学技术振兴机构（JST）发表论文的篇均被引频次（60.98次）远高于其他Top10机构，其次是东京大学（44.06次）、RIKEN（42.82次）。从发表论文的活跃度上来看，发表论文数量排名前10位的国家中，NIMS和京都大学近5年发表论文都很活跃，NIMS近5年发文占比达30.26%，京都大学近5年发文占比达30.11%，RIKEN以28.99%排在第3位。JASRI近5年发文占比24.01%。JASRI与RIKEN、东京大学、京都大学、日本东北大学、大阪大学的合作较为紧密。
2.4 学科发展分析
作为公共实验类重大科技基础设施平台，依托同步辐射光源开展的研究具有多学科性，通过分析依托同步辐射光源发表论文所属学科，有助于识别依托同步辐射光源开展研究的学科发展的不同阶段，更好地把握学科热点与前沿。Web of Science数据库将期刊划分为254个学科类别
[25]，每本期刊最多被划分到6个学科类别
[26]。本文采用Web of Science的学科分类体系，通过DDA对数据进行处理，利用Microsoft Excel进行绘图，SPring-8近20年的学科演化趋势如
图2所示。
SPring-8早期开展的研究主要是应用物理学。进入21世纪，依托SPring-8开展研究的学科类别丰富，如：材料科学、生物化学与分子生物学、凝聚态物理等学科类别都得到蓬勃发展。材料科学、物理化学、多学科交叉化学等学科类别发展始终保持稳步提升的趋势；应用物理学、凝聚态物理始终保持在相对稳定的发展状态；生物化学与分子生物学、生物物理自2008年后发文量呈减少的趋势。总体来说，依托SPring-8开展研究的多学科交叉特征明显。
2.5 研究主题分布
论文的关键词是对论文研究内容和研究主题的高度提炼，通过对某一领域或特定范围研究论文的关键词进行分析，有助于研究人员对该领域或范围的研究特征、研究热点、研究方向、研究内容有更加深刻的理解和掌握。根据本文构建的数据集，使用DDA文本挖掘软件对关键词数据进行清理，并制作关键词叙词表，从作者关键词（author keywords）和Web of Science的补充关键词（keywords plus）中选择出现频次高的500个词进行聚类分析，聚类结果如
图3所示。
由
图3看出，发表的论文大致关注以下6个方面的内容——对应“蛋白质和核酸的晶体结构分析”（绿色）、“纳米结构与催化”（红色）、“电子特性”（蓝色）、“高压地球科学”（黄色）、“X射线相关技术”（紫色）、“电池材料”（橙色）。
图4是依托SPring-8开展研究发表论文的关键词的时序分布，从
图4看出“纳米结构与催化”“电池材料”是近些年来热门的研究内容。
2.6 高产出实验光束线发文趋势
SPring-8的官方数据库可以查询科研产出关联的实验提案编号，实验提案信息中包含所用光束线的编号。不过，SPring-8仅公开在公共光束线和部分RIKEN光束线执行的实验提案信息，因此本小节的分析仅限于可获取的科学产出与实验光束线关联数据。可获取的关联数据共涉及41条光束线、12316篇论文，关联论文数量排名前10的光束线年度发表论文情况如
图5所示，光束线编号、类别及其支持开展的实验内容如
表3所示。关联论文数量Top10光束线的发文趋势与SPring-8的总体发文趋势相近，在2011—2021年这10年间保持着相对较高的产出水平。在具体支持开展的实验内容方面，关联论文数量Top10光束线中，BL01B1、BL14B2的实验技术围绕X射线吸收精细结构谱（XAFS），包括宽能区XAFS、稀浓度体系和薄膜的XAFS、快速扫描时间分辨XAFS等，在能区范围上略有不同；其他光束线支持开展的实验内容分布在粉末衍射、晶体结构分析、材料结构、高压极端条件等。
3 企业依托SPring-8开展研究分析
日本企业重视基础研究，在利用同步辐射光源开展研究方面进行了积极的建设投入。在SPring-8中，企业主导投资建设SUNBEAM专用线（BL16XU、BL16B2）、丰田专用线（BL33XU）和先进软物质产业线（BL03XU），发表了较多论文，形成了一定的研究规模，本文对企业依托SPring-8的研究产出进行分析。
企业发表的论文最早年份是1992年。1992—2023年，企业总发文量达2973篇，占SPring-8发文总量的15.02%。企业发文数量年度分布如
图6所示。随着线站的不断建设，企业依托SPring-8开展研究发表论文的数量逐年增加；2014年，企业依托SPring-8开展研究的发文情况也基本稳定，每年的数量稳定在140篇左右，发文量最高年份是2019年，发文量高达192篇。
使用LDA主题模型对企业发表论文的主题进行分析，得到8个主要的研究主题，如
表4所示，可见企业研究内容涉及材料科学和化学工程的多个关键领域。电化学催化和纳米粒子的催化性能主题下的研究包括催化剂的合成、表征、活性位点的识别等，代表企业有丰田汽车有限公司、日产汽车有限公司；材料的微观结构分析、蛋白质结构与功能研究等主题包含使用各种表征技术（如X射线衍射等）对研究对象进行结构分析，代表企业有丰田汽车有限公司、创晶株式会社；能源存储与电池材料、高压条件下的电化学等主题涉及新型电池材料开发、性能优化等，代表企业有丰田汽车有限公司、住友电工株式会社；晶体的热分析、材料的应力分析等主题关注的是材料实际应用，代表企业有丰田汽车有限公司、日立有限公司。这些论文主题显示出企业在新材料开发、材料性能优化、能源技术、生物医药等多个前沿领域的活跃研究，与全球能源转型与气候变化
[28]、日本推动新能源汽车转型
[29]、支持生物医药研发
[30]等现实情况相呼应，对于推动科技进步和工业应用具有重要价值。
发表论文数量排名前10的企业(
表5)分别是丰田汽车有限公司、松下公司、日本理学公司、SPring-8服务有限公司、日产汽车有限公司、日立有限公司、住友电工株式会社、日本电气股份有限公司、新日铁株式会社、日本电报电话株式会社。丰田汽车有限公司早期参与SUNBEAM专用线站建设管理机构工业专用束线建设利用共同体（简称“SUNBEAM共同体”）
[31]，而后又建设丰田专用线
[32]，在线站利用上具有显著优势，以391篇的发文量居于首位。此外，松下公司、日产汽车有限公司、日立有限公司、住友电工株式会社等4家企业也是SUNBEAM共同体的成员。SUNBEAM共同体成员在发文量Top10企业中占据半数的席位，说明成立企业联合共同体投资建设线站对企业开展研究具有一定的积极影响。近5年发文占比最高的3家企业分别是：日产汽车有限公司、丰田汽车有限公司、日立有限公司，这说明近年来它们使用SPring-8活跃。从篇均被引频次上来看，排名前3位的企业是：松下公司、日本理学公司、丰田汽车有限公司，说明它们依托SPring-8开展研究所发表的论文产生了较大影响力。
4 中国大陆依托SPring-8开展研究分析
中国大陆依托SPring-8开展的研究最早于1999年发表论文。1999—2023年中国大陆总计发表论文959篇，占SPring-8总发文量的4.84%。中国大陆发表论文数量年度分布如
图7所示。从
图7看出，中国大陆发表的论文数量整体呈现增长的趋势；2015—2019年，每年发文量近65篇；2019—2021年，发文量在96~97篇；2022年和2023年的发文量有所下降，可能存在2个方面的原因：其一，论文发表和用户提交均有一定滞后性，数据收集不完整；其二，新冠肺炎疫情对现场执行实验产生一定影响。从这些数据的分布趋势可以看出我国科研人员利用SPring-8开展了较为丰富的科研工作。论文研究领域多分布在多学科交叉材料科学、物理化学、多学科交叉科学、多学科交叉化学、应用物理、凝聚态物理、纳米科学纳米技术、生物化学和分子生物学、原子分子物理化学、多学科交叉物理、细胞生物学等领域。
论文数量排名前10的中国大陆机构是：中国科学院、清华大学、北京科技大学、上海科技大学、中国科学技术大学、复旦大学、北京大学、北京航空航天大学、苏州大学、吉林大学。中国科学院发文量最高，共发表论文384篇，其次是清华大学，共发表论文85篇，北京科技大学以59篇论文的发文量排名第3。从近5年发文占比来看，上海科技大学（58.62%）、苏州大学（55.17%）、北京科技大学（54.24%）、吉林大学（50.00%）都达到了50%及以上，说明以上4家机构近5年利用SPring-8开展研究十分活跃。进一步对发文量Top5的中国大陆机构发表论文的主要研究主题进行分析（
表6），发现高发文机构的研究主题基本都涉及材料科学，包括材料合成、材料性能、极端条件下的相变、材料缺陷等；此外，上海科技大学和清华大学发表的论文较多涉及生物科学的相关研究主题，包括蛋白质结构与功能、药物设计等；中国科学院发表论文的主要研究主题还涉及矿物学、钙钛矿太阳能电池等。
中国大陆企业依托SPring-8发表论文的数量较少，7家中国大陆企业共发表9篇论文，涉及的产业方向为生物科技和能源科技，生物科技方向占据主要地位。
5 总结与讨论
本文对依托SPring-8开展研究发表的论文进行文献计量和主题聚类分析，总结其发展现状与趋势如下：
1）从发表论文的数量来看，依托SPring-8开展研究发表论文的数量稳步增长，近年来产出数量相对稳定。日本发文数量遥遥领先占据主导地位。发文量较多的机构集中于SPring-8建设与管理机构，如RIKEN和JASRI；以及在SPring-8建设专用线站的机构，如东京大学、京都大学、大阪大学、日本原子能机构等。
2）从主要发文国家/地区和主要发文机构来看，发文量Top10国家/地区中，美国发表论文的影响力最高，其次是中国大陆。中国大陆近5年来依托SPring-8开展研究较为活跃。SPring-8是日本开展国际合作的重要平台。日本作为合作中心，与美国、德国、中国大陆、法国、英国等开展了紧密的合作，欧洲国家如丹麦、匈牙利、德国等形成了具有一定规模的合作集群。发文量Top10机构中，日本科学技术振兴机构发表论文的影响力最大，日本国立物质材料研究所和京都大学近5年表现活跃。
3）从学科发展与研究主题来看，SPring-8作为多学科交叉平台，支撑了日本基础科学、应用科学等学科领域的研究工作。依托SPring-8开展的研究自早期的应用物理学，拓展到材料科学、生物化学与分子生物学、凝聚态物理等学科，学科类别逐渐丰富，材料科学、物理化学、多学科交叉化学等学科研究始终保持增长趋势，应用物理学、凝聚态物理学等学科近年稳步开展研究。纳米结构与催化、电池材料是近年来的热点研究主题。
4）从论文关联的实验技术上来看，高产出实验光束线大多支持材料、结构分析等实验内容。支持XAFS及相关技术的实验光束线发表论文最多，这一方面是由于XAFS易实现原位探测、几乎可以研究所有物质结构、技术不断发展等优势
[33]，另一方面也与相关实验光束线建设早、运行时间更长有关。
此外，企业也开展了较为丰富的研究，发表了数量可观的论文，研究内容涉及新材料开发、材料性能优化、能源技术、生物医药等领域，推动了科技发展和工业应用。拥有专用线站的丰田汽车有限公司的发文量领先于其他企业，作为SUNBEAM共同体的5家企业的发文量在日本企业发文量排名中处于前10位，说明企业主导投资建设专用线站的形式为企业使用线站开展研究创造了便利，对企业的技术研发及产业升级转化具有积极影响。这对我国在设施建设与管理上具有一定的借鉴意义，在未来的建设与管理中，可以考虑吸纳一定比例的企业资助，探索适合我国的企业资助设施建设与管理路径，进一步推动产学研融合。
中国大陆发表论文的数量呈现逐年稳步增长的趋势。中国大陆机构的科研机构是发文主体，研究主题多数涉及材料科学。中国大陆企业也利用SPring-8开展研究，涉及的产业方向为生物科技和能源科技。总体来说，中国大陆在SPring-8的论文产出趋势说明我国对高能同步辐射光源有较多的使用需求，同时申请使用国外设施须提交实验方案，存在泄露我国科研动向的风险，因此，我国须围绕目前正在建设的高能同步辐射光源（HEPS），根据用户需求布局建设光束线和实验站，更好地发挥设施的使用效能。
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