▲高能同步輻射光源裝置項(xiàng)目示意圖

▲潘衛(wèi)民

▲董宇輝

　　▲正在建設(shè)中的高能同步輻射光源裝置

　　1895年11月的一個(gè)傍晚，德國(guó)物理學(xué)家、維爾茨堡大學(xué)校長(zhǎng)倫琴躲進(jìn)一個(gè)完全漆黑的房間里，開(kāi)展一項(xiàng)陰極射線研究。倫琴明白，陰極射線只能在空氣中傳遞幾厘米，因此他只是用黑色硬紙給放電管做了一個(gè)封套。

　　實(shí)驗(yàn)開(kāi)始不久，一種前所未有的現(xiàn)象出現(xiàn)了：一米開(kāi)外的工作臺(tái)，一塊熒光屏發(fā)出了亮光，把工作臺(tái)移至更遠(yuǎn)，亮光依然存在。“這肯定不是陰極射線，那是什么？光源在哪？”反復(fù)驗(yàn)證后，倫琴將這種神秘未知的光線稱為X射線。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，X射線可以輕易穿透上千頁(yè)書(shū)，數(shù)厘米厚的木板、鋁板，甚至還能穿透肌肉照出手骨輪廓。從此，一種新的檢測(cè)方式誕生了。X射線在醫(yī)學(xué)診斷、工業(yè)探傷等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

　　130年后的2025年，在雁棲湖畔的北京懷柔科學(xué)城，一只周長(zhǎng)1.36千米的超級(jí)“放大鏡”將被安放到位。2021年6月28日，首套科研設(shè)備——電子槍裝進(jìn)了“放大鏡”的“手柄”位置。4年后，電子槍打出的高能電子束，將在“放大鏡”的圓環(huán)隧道里以無(wú)限接近光速奔跑，在2400多塊磁鐵的作用下，產(chǎn)生亮度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通燈泡萬(wàn)億倍的X射線，以全球“最亮”的光源探究納米級(jí)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)奧秘。

　　為了這一天盡快到來(lái)，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所的一群“追光人”，已經(jīng)奮斗了10多年。

　　老科學(xué)家的呼聲

　　上世紀(jì)70年代，原子物理、高能物理研究高速發(fā)展，國(guó)外研究成果頻出。但在國(guó)內(nèi)，囿于經(jīng)濟(jì)、科研水平等因素，高能物理發(fā)展進(jìn)展緩慢。對(duì)此，一批老科學(xué)家憂心忡忡。

　　1972年8月，62歲的高能物理學(xué)家張文裕聯(lián)合朱洪元、謝家麟等科學(xué)家給周恩來(lái)總理寫(xiě)了一封信，信中呼吁我國(guó)急需發(fā)展高能物理研究，必須建造高能加速器，這關(guān)系到國(guó)家核心科技，刻不容緩。

　　這份建議得到了周總理的重視，他在回信中明確表示“這件事不能再延遲了”。次年，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所成立，張文裕成為首任所長(zhǎng)。

　　這一年，在北京和平門(mén)外，13歲的潘衛(wèi)民升入了中學(xué)。出生在一個(gè)普通干部家庭的他從小喜歡各種科普書(shū)籍，尤其是對(duì)原子物理、光學(xué)物理情有獨(dú)鐘，“很小的時(shí)候我就知道了X射線可以用來(lái)看病。”他說(shuō)，有一次自己胳膊受傷，腫得如碗口粗，醫(yī)生用X光拍片子檢查有沒(méi)有傷到骨頭。拿到片子時(shí)，大人們還背著他看，怕白白的骨密度影像嚇到孩子，潘衛(wèi)民卻大膽地拿過(guò)片子，有模有樣研究起了自己的傷情，“沒(méi)事，養(yǎng)養(yǎng)就好了。”其實(shí)，片子清晰地顯示是比較嚴(yán)重的骨裂，他的若無(wú)其事讓大人們豎起了大拇指。

　　從1973年到1981年，國(guó)內(nèi)的高能物理學(xué)家們一直在積極論證，中國(guó)該采用哪條技術(shù)路徑建設(shè)自己的高能加速器。1981年5月，高能所在征求國(guó)內(nèi)外專家意見(jiàn)的基礎(chǔ)上提出了建造2×22億電子伏正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的方案，在由國(guó)家科委和中國(guó)科學(xué)院召開(kāi)的專家論證會(huì)上獲得原則通過(guò)。1984年，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（BEPC）工程正式破土動(dòng)工。

　　年逾70的張文裕戴上助聽(tīng)器，拄著拐杖參加工程論證會(huì)，坐著輪椅到加速器儲(chǔ)存環(huán)隧道了解工程的實(shí)施情況……每每聽(tīng)到工程的進(jìn)展，他總是連連點(diǎn)頭，眼中閃著激動(dòng)的淚花。

　　1988年10月16日，京西玉泉路，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)首次實(shí)現(xiàn)正負(fù)電子對(duì)撞。《人民日?qǐng)?bào)》稱“這是我國(guó)繼原子彈、氫彈爆炸成功，人造衛(wèi)星上天之后，在高科技領(lǐng)域又一重大突破性成就，揭開(kāi)了我國(guó)高能物理研究的新篇章”。

　　老科學(xué)家們的呼聲終于成為現(xiàn)實(shí)。

　　高能所西南,中國(guó)原子能研究院，經(jīng)過(guò)8年加速器物理與技術(shù)專業(yè)學(xué)習(xí)的潘衛(wèi)民聽(tīng)到這一喜訊后格外激動(dòng)，他深知這個(gè)加速器項(xiàng)目對(duì)于中國(guó)高能物理研究的重大意義。加速器附近是同步輻射裝置，那就是一套產(chǎn)生X射線的大光源。他感受到一項(xiàng)宏偉的事業(yè)正朝自己招手。

　　而在千里之外的羊城廣州，中山大學(xué)物理系本科生董宇輝也找到了自己的學(xué)術(shù)目標(biāo)——北上進(jìn)京，追隨我國(guó)著名理論物理學(xué)家、同步輻射應(yīng)用專家冼鼎昌。

　　兩人的“追光”之旅悄然啟程。

　　解析SARS病毒蛋白結(jié)構(gòu)

　　北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)形似一只羽毛球拍，它由北向南臥在地下，由一臺(tái)長(zhǎng)202米的直線加速器、一組共200米長(zhǎng)的束流輸運(yùn)線、一臺(tái)周長(zhǎng)240米的儲(chǔ)存環(huán)加速器、一座高6米重700噸的大型探測(cè)器“北京譜儀”和14個(gè)同步輻射實(shí)驗(yàn)站等組成。

　　除了2004年至2008年進(jìn)行的重大改造工程以及每年大約2個(gè)月的檢修時(shí)間，正負(fù)電子幾乎一刻不停地在此對(duì)撞，產(chǎn)生各種粒子事例?？茖W(xué)家分析這些事例，尋求科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

　　董宇輝清楚地記得1990年第一次走進(jìn)這里時(shí)的那份震撼，“如此大的科學(xué)裝置，感覺(jué)只要它開(kāi)動(dòng)起來(lái)，重磅科研成果便唾手可得。”在這里，他孜孜不倦地學(xué)習(xí)、科研，從碩士、博士一直到博士后。

　　1997年，董宇輝前往意大利特倫托大學(xué)做訪問(wèn)研究。這所大學(xué)位于意大利北部，緊鄰阿爾卑斯山，與奧地利接壤，環(huán)境優(yōu)美。董宇輝平日里做實(shí)驗(yàn)、寫(xiě)文章，周末天氣好的時(shí)候就和妻子出去旅行，日子過(guò)得恬靜舒適。科研之余，他時(shí)常想起國(guó)內(nèi)的北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)，“經(jīng)常去資料庫(kù)檢索看看，它又取得了什么重量級(jí)成果。如果有，比自己發(fā)論文還高興?！彼宄饷娴娘L(fēng)景再好，終究不是自己的家，自己的心永遠(yuǎn)屬于這片熱土。

　　很快，回國(guó)的機(jī)會(huì)來(lái)了。2000年，老師冼鼎昌的一個(gè)越洋電話打到了董宇輝的實(shí)驗(yàn)室，“你回來(lái)吧，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)改造工程需要建一個(gè)生物大分子晶體學(xué)實(shí)驗(yàn)站，希望你能助一臂之力。”老師說(shuō)得很客氣，聲音也不大，但董宇輝如同聽(tīng)到了出征的號(hào)令，“走，咱回家！”他和妻子以最快速度打包完行李，告別同事，登上飛往北京的航班。

　　30歲的董宇輝成為我國(guó)第一個(gè)同步輻射裝置生物大分子晶體學(xué)實(shí)驗(yàn)站設(shè)計(jì)建設(shè)的負(fù)責(zé)人，而這個(gè)實(shí)驗(yàn)站也成為他人生中主持的第一個(gè)大項(xiàng)目。

　　實(shí)驗(yàn)站建設(shè)開(kāi)始后，董宇輝和同事沒(méi)日沒(méi)夜地在一線做調(diào)試。這個(gè)實(shí)驗(yàn)站要充分利用對(duì)撞機(jī)產(chǎn)生的X射線解析生物結(jié)構(gòu)，要為生物學(xué)家服務(wù)，而董宇輝是材料物理學(xué)出身，要建好實(shí)驗(yàn)站，他必須知道生物學(xué)家在想什么、需要什么，于是，不去實(shí)驗(yàn)站一線做調(diào)試的時(shí)候，董宇輝就伏案自學(xué)生物化學(xué)、分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、遺傳學(xué)等方面的知識(shí)。

　　2002年，生物大分子晶體學(xué)實(shí)驗(yàn)站試運(yùn)行成功。利用這一平臺(tái)，我國(guó)第一次用自己的同步輻射專用設(shè)備采集到蛋白質(zhì)晶體完整、成套的衍射數(shù)據(jù)。

　　2003年，實(shí)驗(yàn)站正式向用戶開(kāi)放。當(dāng)年12月，清華大學(xué)饒子和教授團(tuán)隊(duì)利用這一平臺(tái)，解析出了世界上第一個(gè)SARS冠狀病毒蛋白質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)，成果發(fā)表在美國(guó)科學(xué)院院報(bào)上，這為人類(lèi)破解冠狀病毒開(kāi)辟了一條道路；第二年，中科院生物物理所常文瑞院士利用這一平臺(tái)，測(cè)定了菠菜的光合膜蛋白晶體結(jié)構(gòu)，研究成果以封面形式發(fā)表于《自然》雜志……

　　實(shí)驗(yàn)站成果頻出，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)也在不斷升級(jí)。潘衛(wèi)民從原子能研究院來(lái)到高能所，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)為對(duì)撞機(jī)升級(jí)改造工程研發(fā)了核心設(shè)備國(guó)產(chǎn)超導(dǎo)腔，使我國(guó)成為世界成功研制此項(xiàng)設(shè)備的國(guó)家之一。

　　要建大光源就要建高能的

　　生物大分子晶體學(xué)實(shí)驗(yàn)站取得的一系列重大成果，沒(méi)有讓董宇輝自豪太久，他的心里始終隱藏著一絲不安。

　　在國(guó)外工作時(shí)，董宇輝曾前往英國(guó)做過(guò)同步輻射實(shí)驗(yàn)。他深知先進(jìn)的同步輻射裝置對(duì)科研的巨大推動(dòng)力。他介紹，產(chǎn)生X射線的常見(jiàn)方式有兩種：一種是用高能電子轟擊金屬，產(chǎn)生X射線，工廠設(shè)備探傷、醫(yī)院診斷病情用的X光都是用的這一原理；另一種就是同步輻射裝置，電子在同步加速器中以接近光速飛行，在磁場(chǎng)作用下發(fā)生曲線運(yùn)動(dòng)，電子會(huì)沿著彎轉(zhuǎn)軌道切線方向發(fā)射連續(xù)的電磁輻射。

　　“就如同下雨時(shí)，我們快速轉(zhuǎn)動(dòng)雨傘，傘邊緣的切線方向會(huì)飛出一簇簇水珠?！倍钶x說(shuō)，與常規(guī)X射線相比，同步輻射光源產(chǎn)生的同步輻射光頻譜更寬，覆蓋紅外光、可見(jiàn)光、紫外光和X射線波段；另外它的亮度也更高，高出常規(guī)X光機(jī)產(chǎn)生的X光4至14個(gè)量級(jí)，可用于高分辨的實(shí)驗(yàn)。

　　當(dāng)年建成的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)和同步輻射裝置實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有的突破，但無(wú)論是亮度還是聚光性能，都已經(jīng)不適應(yīng)開(kāi)展更精細(xì)尺度的解析科研，“我們的設(shè)備已經(jīng)落后了。”他說(shuō)。

　　在國(guó)外，新一代光源正在不斷建設(shè)，雖然我們也及時(shí)跟進(jìn)，在上海、合肥等地規(guī)劃建設(shè)了光源，但也僅僅只能做到“跟進(jìn)”，一旦國(guó)外裝置完成升級(jí)，我們又會(huì)再度落后。

　　2008年，董宇輝得知，位于法國(guó)的歐洲同步輻射裝置正在策劃新一期改造。時(shí)不我待，必須要彎道超車(chē)，建設(shè)世界上性能最高的第四代同步輻射光源——高能同步輻射光源。

　　“低能同步輻射光源側(cè)重于功能研究，比如化學(xué)反應(yīng)、超導(dǎo)電性、磁性等；中、高能同步輻射光源側(cè)重于研究結(jié)構(gòu)，可用于觀察單晶生長(zhǎng)、蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)單晶葉片的結(jié)構(gòu)缺陷等?！倍钶x說(shuō)，它們不分優(yōu)劣，各有千秋，但合肥光源是低能光源，上海光源是中能光源，我國(guó)還沒(méi)有高能光源。

　　要建大光源，就要建高能的，填補(bǔ)空白！大家想法一致。

　　從想法到落實(shí)，還需要論證。為了解決技術(shù)瓶頸問(wèn)題，國(guó)家發(fā)改委支持了高能同步輻射光源的驗(yàn)證裝置項(xiàng)目。在驗(yàn)證裝置項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，董宇輝擔(dān)任副經(jīng)理，負(fù)責(zé)光束線站實(shí)驗(yàn)技術(shù)的研發(fā)。經(jīng)過(guò)近十年的攻關(guān)，驗(yàn)證裝置終于完成，證明了我們的技術(shù)路徑完全可行，裝置性能完全可以滿足科研的需求。

　　2017年12月，國(guó)家發(fā)改委正式批復(fù)了高能同步輻射光源項(xiàng)目建議書(shū)。第四代高能同步輻射光源選址在蓬勃建設(shè)中的北京懷柔科學(xué)城，成為其大科學(xué)裝置集群中的核心裝置。董宇輝、潘衛(wèi)民先后加入建設(shè)管理團(tuán)隊(duì)。

　　“北京光源”建設(shè)攀登新高度

　　這是一套無(wú)與倫比的大科學(xué)裝置，被稱為“北京光源”。它由儲(chǔ)存環(huán)及實(shí)驗(yàn)大廳、綜合實(shí)驗(yàn)樓、用戶服務(wù)樓、長(zhǎng)光束線站、直線加速器等部分組成，總建筑面積達(dá)12.5萬(wàn)平方米。

　　從高空俯瞰，整體建筑外形似一個(gè)放大鏡，安放在雁棲湖畔，寓意“探測(cè)微觀世界的利器”。這其中，1.36千米周長(zhǎng)的儲(chǔ)存環(huán)里要分布2400多塊各種各樣的磁鐵，還有數(shù)不清的各類(lèi)高精尖設(shè)備。施工難度前所未有，工藝要求前所未有。其中一個(gè)建設(shè)指標(biāo)是：儲(chǔ)存環(huán)的微振動(dòng)幅度不能超過(guò)25納米。施工單位負(fù)責(zé)人看到后的第一反應(yīng)是：這是開(kāi)玩笑吧？不可能！這種要求倒是在精密光學(xué)實(shí)驗(yàn)中能見(jiàn)到，但那只是在幾米的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。一個(gè)1.36千米周長(zhǎng)的大圓環(huán)，最粗段的寬度超過(guò)30米，有混凝土有鋼梁，怎么可能將微振動(dòng)做到納米量級(jí)？

　　可這就是要求。超了，實(shí)驗(yàn)精度就無(wú)法保證，必須想盡辦法解決。為此，建設(shè)團(tuán)隊(duì)采用換填的辦法，在儲(chǔ)存環(huán)所在位置下挖3米，把所有土壤移走，然后澆筑混凝土，打造出一個(gè)堅(jiān)實(shí)的底座。“從分段測(cè)試來(lái)看，這一設(shè)計(jì)效果很好。我們會(huì)不斷跟蹤，根據(jù)加速器物理和光束線站要求，積極采取各種減震措施，確保微振動(dòng)指標(biāo)達(dá)標(biāo)。”潘衛(wèi)民說(shuō)。

　　作為工程的總指揮和常務(wù)副總指揮，潘衛(wèi)民、董宇輝的辦公室墻上都掛著一份零級(jí)工程建設(shè)計(jì)劃圖，將整個(gè)大光源的建設(shè)分解為82個(gè)步驟，每個(gè)步驟都標(biāo)出了開(kāi)始時(shí)間、完成時(shí)間。如直線加速器電子槍的安裝時(shí)間為2021年7月8日。潘衛(wèi)民用紅筆將“8”改成了“1”，“這一步我們提前做完了。”他笑著對(duì)記者說(shuō)，從6月底，項(xiàng)目先后完成了儲(chǔ)存環(huán)封頂、電子槍安裝，已經(jīng)跑贏了既定安排。

　　潘衛(wèi)民說(shuō)，整個(gè)項(xiàng)目一共分解成了52個(gè)分系統(tǒng)，算上建設(shè)人員，最多時(shí)有超過(guò)1000人奮戰(zhàn)在雁棲湖畔?？蒲腥藛T和建設(shè)隊(duì)伍克服了疫情帶來(lái)的種種不便，爭(zhēng)分奪秒在不同的領(lǐng)域攻關(guān)，第四代光源從技術(shù)難度上遠(yuǎn)超現(xiàn)有的光源，很多技術(shù)領(lǐng)域處于世界前沿，更是我們的短板和空白。開(kāi)工兩年了研究團(tuán)隊(duì)仍在攻關(guān)，一點(diǎn)點(diǎn)奮力爬坡，每攀登一步就是一個(gè)新的高度。

　　在建設(shè)過(guò)程中，無(wú)論是國(guó)家還是北京市還是懷柔區(qū)，都給予了巨大的支持。比如在資金方面，國(guó)家發(fā)改委提供了建設(shè)資金，北京市還提供了配套資金9億多元。整個(gè)光源裝置的滿載運(yùn)行功率達(dá)3.8萬(wàn)千瓦，也就是一小時(shí)用電3.8萬(wàn)度，為此，懷柔區(qū)相關(guān)部門(mén)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行了擴(kuò)容，以確保未來(lái)裝置能穩(wěn)定運(yùn)行。

　　從明年起，“北京光源”就將迎來(lái)大批科研設(shè)備進(jìn)駐安裝。潘衛(wèi)民和董宇輝說(shuō)，他們已經(jīng)做好了準(zhǔn)備，一定確保設(shè)備安裝、調(diào)試順利完成。“這是我們的‘后墻’，2025年12月31日。”潘衛(wèi)民指著計(jì)劃圖最底下的幾欄，到了這個(gè)日期，整個(gè)高能同步輻射光源裝置就要建成投入試運(yùn)行，“這個(gè)‘后墻’是不能倒的！”他目光堅(jiān)定。

　　潘衛(wèi)民和董宇輝自豪地說(shuō)，高能同步輻射光源建成后，將是世界上亮度最高的第四代同步輻射光源之一，它的設(shè)計(jì)壽命為30年，建成后還會(huì)不斷升級(jí)改造，預(yù)期工作壽命可達(dá)50年甚至更長(zhǎng)。

　　啟用后，這個(gè)超級(jí)“放大鏡”是這樣工作的：位于源頭的電子槍產(chǎn)生高品質(zhì)的電子束，再由直線加速器將電子束加速到0.5GeV的能量，增強(qiáng)器將0.5GeV的電子束加速到額定的6GeV，然后電子束注入1.36千米長(zhǎng)的儲(chǔ)存環(huán)軌道，以接近光速的速度運(yùn)動(dòng)。在儲(chǔ)存環(huán)上的不同位置，電子束通過(guò)彎轉(zhuǎn)磁鐵或者各種插入件時(shí)，會(huì)沿著偏轉(zhuǎn)軌道切線方向，發(fā)射高能的X射線。

　　董宇輝說(shuō)，這些X射線通過(guò)一系列精密光學(xué)系統(tǒng)分光、準(zhǔn)直、聚焦等再加工后，可提供納米級(jí)空間分辨率、皮秒（萬(wàn)億分之一秒）級(jí)時(shí)間分辨率的同步光。這些光匯聚到裝置的束線實(shí)驗(yàn)站，為科研人員提供服務(wù)。

　　根據(jù)科學(xué)目標(biāo)，高能同步輻射光源可以對(duì)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行全方位探測(cè)，解析物質(zhì)結(jié)構(gòu)生成及其演化的全周期全過(guò)程，探究材料性能和使用過(guò)程中失效的關(guān)鍵因素，解決高溫合金材料的制造、加工、服役和修復(fù)等環(huán)節(jié)中一系列復(fù)雜問(wèn)題，還可以解析亞微米量級(jí)的蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)，解釋重要蛋白的功能，推動(dòng)新藥發(fā)明。

　　可以預(yù)見(jiàn)，在不久的將來(lái)，一批重量級(jí)科研成果就將誕生于懷柔科學(xué)城！

　　（源自北京日?qǐng)?bào)2021年7月22日版 原地址：https://bjrbdzb.bjd.com.cn/bjrb/mobile/2021/20210722/20210722_012/content_20210722_012_1.htm#page11?digital:newspaperBjrb:AP60f87f24e4b003a0f678cf0a）