北京高能同步輻射光源效果圖。中國科學(xué)院高能物理研究所供圖
開欄的話
習(xí)近平總書記指出，要高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)國家實(shí)驗(yàn)室，推動(dòng)大科學(xué)計(jì)劃、大科學(xué)工程、大科學(xué)中心、國際科技創(chuàng)新基地的統(tǒng)籌布局和優(yōu)化。作為國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的代表，新一代光源、“中國天眼”、散裂中子源、“人造太陽”等大科學(xué)裝置，既是前沿科學(xué)思想和先進(jìn)技術(shù)的集成，也是開展基礎(chǔ)研究、獲取原創(chuàng)成果的利器。
從今天起，本版推出“走近大科學(xué)裝置”系列報(bào)道，通過實(shí)地采訪大科學(xué)裝置，介紹其科學(xué)原理、技術(shù)創(chuàng)新和科研進(jìn)展，展示我國基礎(chǔ)研究的新成果、新進(jìn)展。
北京懷柔科學(xué)城北部核心區(qū)，從高空俯瞰，周長近1.4公里的北京高能同步輻射光源（以下簡稱高能光源）主體大環(huán)輪廓清晰可見，正等待最后的連接成環(huán)。
這是我國第一臺(tái)高能同步輻射光源，也將是世界上最亮的第四代同步輻射光源之一。截至今年2月底，項(xiàng)目的土建工程已完成總工程量的50%。記者日前走進(jìn)高能光源的施工現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)地探訪這一國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。
同步輻射光源已成為尖端科學(xué)研究及工業(yè)應(yīng)用不可或缺的實(shí)驗(yàn)利器
在高能光源項(xiàng)目總指揮、中國科學(xué)院高能物理研究所（以下簡稱中科院高能所）研究員潘衛(wèi)民的辦公室墻上，掛著一張大大的時(shí)間進(jìn)度表，上面詳細(xì)標(biāo)注著工程所有的重要節(jié)點(diǎn)和計(jì)劃完成時(shí)間。
每天，潘衛(wèi)民都要依照表上的安排來檢查和督促工程的各項(xiàng)進(jìn)展，有時(shí)遇到不可預(yù)見的難題，項(xiàng)目組也會(huì)適時(shí)地對(duì)進(jìn)度進(jìn)行調(diào)整。最近即將迎來的一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)是在今年7月初安裝第一臺(tái)加速器設(shè)備。“目前來看，各項(xiàng)進(jìn)展都還比較順利，按期高質(zhì)量地完成這個(gè)目標(biāo)應(yīng)該沒有問題?！迸诵l(wèi)民說。
什么是同步輻射光源？
專家解釋，同步輻射是指速度接近光速的帶電粒子在做曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)沿切線方向發(fā)出的電磁輻射，也叫做同步光。這個(gè)場(chǎng)景就像是在雨中快速轉(zhuǎn)動(dòng)雨傘，沿傘邊緣的切線方向會(huì)飛出一簇簇水珠。中科院高能所副所長、高能光源工程常務(wù)副總指揮董宇輝研究員告訴記者：“同步光具有穿透性強(qiáng)、高亮度、高強(qiáng)度和能譜寬等特點(diǎn)，可以幫助人類觀察肉眼看不到的微觀世界?！?/p>
當(dāng)同步光照射在物質(zhì)上時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生許多不同的效應(yīng)，比如光電子發(fā)射、離子或中性原子脫離、吸收、散射等現(xiàn)象。這些效應(yīng)與物質(zhì)本身的物理或化學(xué)特性密切相關(guān)。“因此，我們通過探測(cè)到的這些反應(yīng)，就可以研究在原子、分子尺度上各種物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律?！倍钶x說。
為了制造能量更高、亮度更強(qiáng)的同步光，人類發(fā)明了可產(chǎn)生這種光的大工具——同步輻射光源。
迄今為止，世界上70%的已知生物大分子結(jié)構(gòu)：蛋白質(zhì)、DNA、RNA、核糖體、核小體、病毒等，都是借助同步輻射光了解的，為各學(xué)科的前沿研究提供了重要支撐。近年來，世界各國都在加大對(duì)同步輻射設(shè)施建設(shè)的投入。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全世界已相繼建成50多臺(tái)同步輻射光源。
“如今，同步輻射光源已成為尖端科學(xué)研究及工業(yè)應(yīng)用不可或缺的實(shí)驗(yàn)利器，可廣泛用于材料、生物、醫(yī)藥、物理、化學(xué)、地質(zhì)等領(lǐng)域。”董宇輝說，“比如在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，科研人員就借助同步輻射光源揭示出活體腫瘤和腦血管病的發(fā)生和發(fā)展機(jī)制，為重大疾病的早期診斷與治療提供關(guān)鍵理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐?！?/p>
第四代高能同步輻射光源具有更高的分辨率
上世紀(jì)80年代末，依托于北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的第一代同步輻射光源——北京同步輻射裝置建成并投入使用。此后，為了獲得更高的分辨率，我國又相繼建成合肥光源（第二代）、上海光源（第三代）。
近年來，隨著世界同步輻射光源的發(fā)展，很多國家都在探究高能光源的更新改進(jìn)方案。目前世界上已有3個(gè)“旗艦型”高能同步輻射光源裝置，分別為日本、美國、歐洲擁有。
當(dāng)前，同步輻射光源正經(jīng)歷由第三代向第四代的跨越。盡管我國已經(jīng)擁有三代同步輻射光源，但它們均處于低、中能量區(qū)，從亮度能譜的分布來說，我國還缺乏高亮度的高能光源。
董宇輝說：“在應(yīng)用方面，我國已有的三個(gè)光源由于所處能量區(qū)的限制，雖然能夠‘看見’所觀察物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)，但是捕捉其變化過程，特別是在真實(shí)狀態(tài)下物質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化過程，還有很大的困難和不足?！?/p>
2016年底，高能同步輻射光源建設(shè)，正式列入《國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃》。兩年后，項(xiàng)目在北京懷柔科學(xué)城正式開工建設(shè)，主要建設(shè)內(nèi)容由加速器、光束線站和配套設(shè)施等組成。
潘衛(wèi)民說：“高能光源的外觀被設(shè)計(jì)成一個(gè)放大鏡的形狀，寓意‘探索微觀世界的利器’。其中，周長近1.4公里的儲(chǔ)存環(huán)及實(shí)驗(yàn)大廳，猶如放大鏡的鏡框，是造型的點(diǎn)睛之筆，也是將來放置大型科學(xué)儀器的地方。”
相比第三代同步輻射光源，第四代同步輻射光源的亮度要高出100—1000倍。“要看到物質(zhì)里的細(xì)節(jié)，很重要的一點(diǎn)就是要有足夠的亮度。比方說，打個(gè)手電筒看東西，手電筒越亮，就能看得越清楚。光越亮意味著探測(cè)的精度越高，探測(cè)速度也越快。”董宇輝說，“作為第四代同步輻射光源，高能光源可以讓我們更清楚地了解材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這對(duì)材料科學(xué)和生命科學(xué)的發(fā)展具有重要作用?！?/p>
在加速器、光束線等多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)上實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新
根據(jù)目前的設(shè)計(jì)方案，高能光源建成后將擁有世界最高光譜亮度。
“屆時(shí)，除了開展科學(xué)研究，科研人員還可以利用高能光源，進(jìn)一步探測(cè)分析飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)材料在工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)，為相關(guān)材料攻關(guān)提供更多信息。此外，隨著集成電路集成度越來越高，具備高分辨成像能力的高能光源也將成為診斷精密部件內(nèi)部缺陷的主力?！倍钶x說。
其實(shí)從2008年起，中科院高能所的科研人員就開始醞釀完全自主設(shè)計(jì)和建設(shè)新一代同步輻射光源，并啟動(dòng)了相關(guān)的預(yù)研工作。
中科院高能所研究員李明說：“這些年，我們圍繞新一代同步輻射光源的核心裝置，對(duì)加速器、光束線和實(shí)驗(yàn)站等多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行攻關(guān)，取得了很好的成效，也有諸多創(chuàng)新。”
探測(cè)器是各種同步輻射實(shí)驗(yàn)的核心設(shè)備，李明告訴記者，以往我國同步輻射光源上的探測(cè)器主要依賴進(jìn)口。針對(duì)高能光源的實(shí)際需求和未來同步輻射探測(cè)器發(fā)展趨勢(shì)，研究團(tuán)隊(duì)自主研制出新型X射線像素陣列探測(cè)器樣機(jī)，性能指標(biāo)達(dá)到國際主流同類探測(cè)器產(chǎn)品水平。
按照計(jì)劃，高能光源將在2025年底建成并投入使用。首期建設(shè)的14條公共光束線站，將向工程材料、能源環(huán)境等領(lǐng)域的用戶開放。接下來，隨著工程建設(shè)的進(jìn)一步展開，研究團(tuán)隊(duì)也將持續(xù)攻克更多的難關(guān)?！拔覀?cè)诟吣芄庠吹慕ㄔO(shè)中，將最大程度地實(shí)現(xiàn)器件的國產(chǎn)化?！倍钶x表示。
（原載于《人民日?qǐng)?bào)》 2021-03-22 19版）
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