上海光源：極強(qiáng)光照亮隱秘世界

2009 年4 月剛建成的“上海光源”，是耗資12 億元的國家重大科學(xué)工程，可能是中國最昂貴的光源了，但是對于研究人員來說，它的性價比很高。它的亮度比普通的X 光機(jī)要高上億倍。X 光機(jī)能看清人的骨骼和內(nèi)臟，“上海光源”則可以讓人們洞察幽微，拍攝蝗蟲心臟的跳動，監(jiān)視癌細(xì)胞的分裂，以及解析蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

如果有人從太空中俯瞰上海張江科技園區(qū)，會以為那里新建了一個巨大的運(yùn)動場。的確，這個直徑200 多米，鸚鵡螺形狀的銀色建筑物看起來很像“鳥巢”。不同的是，在“鳥巢”的跑道上競速的是約每秒跑10 米的運(yùn)動員，而這個建筑物——“上海光源”的環(huán)形跑道上的競速者速度要快上3千萬倍，那是一些接近光速的電子。這些微觀競技場上的運(yùn)動員們，是為了什么而奔跑？

這個“環(huán)形跑道”，其實是一個利用高頻電場加速電子的環(huán)形加速器裝置。當(dāng)這些接近光速的帶電粒子在磁場中沿弧形軌道運(yùn)動時，會放出電磁輻射，這種輻射就是同步輻射，它能以實際的光的形式被觀察到，成為光源。

這里所說的“上海光源”（Shanghai Synchrotron Radiation facility，簡稱SSRF）就是中國目前最大的第三代同步輻射光源，耗資12 億元，于2009 年4月底正式運(yùn)行。這么強(qiáng)大的光源都能做些什么？它所發(fā)出的光和普通的光又有什么不同呢？

“同步輻射裝置提供一種光源。這種光源具有從遠(yuǎn)紅外到X 光范圍內(nèi)的連續(xù)光譜，強(qiáng)度高，可以精確控制。用它來做什么，不同的科學(xué)家會有不同的用法?！敝锌圃焊吣芪锢硌芯克耐鯚ㄈA博士介紹道。

就像有的人會用手電筒在晚上照亮道路，有的人用手電來搜尋床底的角落，也有人用它來做攝影輔助的燈光，同步輻射光源就是一只特別強(qiáng)大的手電筒，為人們照亮微觀世界的更多細(xì)節(jié)。物理學(xué)家、化學(xué)家和生物學(xué)家們，會分別用它來分析地幔深處的礦物演化、瓷釉的成色機(jī)制、DNA 和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)以及蒼蠅神經(jīng)末梢的一次抽搐。按照一個有些夸張的比擬，同步輻射光源被看作人類在發(fā)現(xiàn)了火焰、電光源、X 光源之后的第四種重要光源。

醫(yī)學(xué)領(lǐng)域現(xiàn)代“犀照”

東晉溫嶠經(jīng)過牛渚，聽說當(dāng)?shù)赜腥庋劭床灰姷墓治?，就點燃犀角照亮下方，“須臾，見水族覆火，奇形異狀”。這個“犀照牛渚”的故事，恰恰可以用來形容同步輻射光源的功用：洞察幽微。

“我們有時候放一個蝗蟲活體到樣品盒里，就讓它活蹦亂跳，通過同步輻射X 光，我們可以清晰地看到它跳動的心臟，還可以拍下一個立體透視的像電影一樣的‘短片’，這個‘短片’是以1 秒幾百幀的速度記錄的。我們可以用同步輻射研究人體的癌細(xì)胞，清楚拍攝它分裂的每一個步驟，而以前用電子顯微鏡，拍攝時癌細(xì)胞已經(jīng)死亡了，只能記錄下癌細(xì)胞靜止時的狀態(tài)。摸清癌細(xì)胞的分裂步驟很重要，這樣能為治愈癌癥鋪平道路?！备吣芩闹炫迤讲┦咳缡钦f，并且展示了他的科研組用同步輻射X光透射得出的昆蟲立體結(jié)構(gòu)。在視頻中的昆蟲毫發(fā)畢現(xiàn)，而另一幅老鼠耳蝸的細(xì)微結(jié)構(gòu)圖中，可以明顯地看到它比普通X 射線的成像精細(xì)得多。而“上海光源”建成之后，效果還將遠(yuǎn)在它們之上。

“這樣的光能觀測幾十納米生物分子的晶體結(jié)構(gòu)，其他的像探測老鼠的耳蝸研究人類聽力，分析化妝品里的人工合成物與天然提取物的成分是否吻合之類都是我們正在做的實驗?！蓖鯚ㄈA在北京高能物理所同步輻射裝置12廳的調(diào)試現(xiàn)場說。他的工作是負(fù)責(zé)X射線成像光束線站的調(diào)試和運(yùn)行。

同步輻射光源產(chǎn)生的X 射線，正是透視生物大分子三維結(jié)構(gòu)的最銳利武器，早在6 年前就在一個重要的社會事件中有了用武之地。

窺破SARS 病毒的秘密

那是2003 年6 月間，位于北京玉泉路的北京同步輻射裝置（BSRF）的生物大分子線站。BSRF 是中國最早的同步輻射裝置，它有一個直徑50 多米的電子儲存環(huán)，里面接近光速運(yùn)行的電子束正在發(fā)射出一道道光線，環(huán)上的16 個不同的線站各取其中有用的部分做自己的實驗。

其中的生物大分子線站實驗室接收的是X 光波段。一束強(qiáng)大的X 射線從空氣中劃過，像是淡藍(lán)色的熒光燈管。人眼看不見X 射線，但是它會讓空氣電離，也就是讓空氣分子的電子脫離從而發(fā)光。射線的目標(biāo)是一個樣本臺，臺上一個神秘的樣本被保存在真空中，這就是SARS 病毒蛋白酶晶體。

此時距離2002 年11 月SARS 首例病例發(fā)生的時間過去了半年左右，人們已經(jīng)知道了是什么樣的病毒造成了SARS，但是人們還不清楚這種病毒的身世。這一束X 射線照射到蛋白酶晶體上，卻并沒有完全透射過去，而是分散到了各個方向形成特殊的對稱斑紋。圓柱形的探測器收集到不同方位的射線。這是X 射線在晶體上發(fā)生了衍射，因為它的波長和晶體的小格子尺寸差不多。

如果用普通的X 射線光源，例如我們在醫(yī)院照X 光片所使用的陰極射線管，雖然也能勝任X 射線衍射的研究工作，但是它的亮度低，準(zhǔn)直性也不夠高，也就是說光線更散漫。如果采用普通的X 射線來分析SARS 病毒的蛋白酶，需要的樣本數(shù)量要有上萬倍，基本不可能采集到這么多病毒樣本。而更重要的是，陰極射線管發(fā)射的X 射線集中在有限的波長范圍內(nèi)，難以適應(yīng)不同晶體的需求。

接下來人們用計算機(jī)模擬，確認(rèn)什么樣的結(jié)構(gòu)才能產(chǎn)生這樣的衍射斑紋，通過比照確認(rèn)這是一種冠狀病毒。這是世界上首次計算出SARS 冠狀病毒蛋白酶的分子結(jié)構(gòu)，SARS 病毒的身份以及致病機(jī)制真正揭曉。在這之后，SARS 的中文全稱由“非典型肺炎”更正為“傳染性冠狀病毒肺炎”。

X 射線是同步輻射的主要應(yīng)用，而除了X 射線，同步輻射還提供其他波段的光線供科研使用。然而，北京同步輻射裝置的功能已經(jīng)有些落伍，以“上海光源”為代表的第三代同步輻射光源已經(jīng)成為新的需要。這個耗時5 年的大工程，預(yù)計產(chǎn)生的光線亮度將比北京同步輻射裝置高上千倍。

“上海光源”啟動

2009 年3 月8 日凌晨，“上海光源”的科研人員在生物大分子晶體光束線站的實驗室收獲了一張蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)圖，而這只是“上海光源”陸續(xù)建設(shè)的60 多條光束線中的一條?！吧虾９庠础钡慕ㄔO(shè)任務(wù)在正式運(yùn)行后仍將繼續(xù)。當(dāng)記者聯(lián)系到“上海光源”的科研人員時，已經(jīng)能明顯感覺到他們工作的緊張氣氛。3 月到4 月是最后的調(diào)試階段，關(guān)系到這個科學(xué)大工程能否按時運(yùn)行，甚至沒有人能騰出時間來接受采訪。

中科院上海應(yīng)用物理研究所所長徐洪杰的另一個身份，是“上海光源”工程總經(jīng)理。早在2005 年，他就通過媒體透露，“上海光源”的使用向全社會開放，只要提出合理的項目申請，支付一定的費(fèi)用，各種研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)都可以使用“上海光源”進(jìn)行自己的研究。他還透露，一些知名企業(yè)如歐萊雅等已經(jīng)預(yù)約了研究項目，用“上海光源”的光線研究化妝品中的合成成分是否與天然的吻合。

王煥華博士也要帶著自己的課題，動身去張江科技園，他的實驗是有關(guān)新一代的半導(dǎo)體材料，需要用同步輻射光源來分析它為什么會不穩(wěn)定。如果最終能夠分析清楚機(jī)理，解決問題，這種新一代的半導(dǎo)體可能讓整個IT 產(chǎn)業(yè)發(fā)生顛覆性的革命。

Tips

從副產(chǎn)品到主角的同步輻射

事實上，同步輻射的發(fā)現(xiàn)，本身就是粒子加速器的一個副產(chǎn)品。1947 年，美國科學(xué)家在一座透明外殼的同步加速器上看到奇怪的亮光，經(jīng)過分析后終于明白這就是電子環(huán)形高速運(yùn)行產(chǎn)生的輻射。人們起初認(rèn)為這種輻射是一種累贅，因為它會浪費(fèi)加速電子的能量，但是后來人們發(fā)現(xiàn)了同步輻射的用途，于是在加速器工作的間歇，把它導(dǎo)出作科研用途，這就是第一代同步輻射光源。

1991 年，在合肥中國科技大學(xué)建成了國家同步輻射實驗室（NSRL），這是第二代的同步輻射光源，專門用于同步輻射的研究，能量比北京的裝置高兩三倍。但是新建的“上海光源”能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過它?！吧虾９庠础钡墓饩€能量是合肥同步輻射光源的40 倍，而這些光線集中在1/40 的區(qū)域內(nèi)，因此亮度達(dá)到了它的1600 倍，而比最強(qiáng)的X 光機(jī)要亮上億倍。它將是繼歐美日之后的世界第四大同步輻射裝置。

高亮度有什么用？這和相機(jī)的鏡頭是同樣的道理。給黑夜中疾馳而過的汽車拍照，快門時間長達(dá)幾秒鐘，只能留下模糊不清的車影和燈光，但是在光線充足的晴天里，快門只需要兩千分之一秒，甚至可以記錄下球員射門時足球變形的瞬間。

普通的X 射線和同步輻射光源相比就像月光和日光。普通的X 光機(jī)給樣品做衍射分析，可能要一個星期，但是同步輻射光源只需要幾秒，越亮的同步輻射光源，效率越高；用同步輻射的X 射線來給生物成像，可以觀察到它們的迅速動作。而且同步輻射光源的準(zhǔn)直度非常高，也就是說它能形成非常清晰的影像。如果用于癌癥觀測，可以大大提高它的診斷水平。比如說乳腺癌，人類當(dāng)前的觀測能力最小大概能觀測到5 個毫米，而“上海光源”將有可能觀測到1~2 毫米的早期癌癥病灶。

同步輻射裝置的典型結(jié)構(gòu)（來自法國soleil 同步輻射裝置）

電子加速器

用電磁鐵把電子加速到接近光速。

波蕩器

和扭擺器作用類似，但是彎曲的程度較小，從而讓輻射更加集中。

單色器

通過聚焦、掠射等方法，選取所需特定波長的輻射。

光束線站

導(dǎo)出的光束將在這里進(jìn)行各種實驗。

電子儲存環(huán)

加速后的電子被保存在這里面作環(huán)形運(yùn)動。

扭擺器

用磁鐵讓電子束發(fā)生扭擺，而電子運(yùn)動軌跡彎曲越大，同步輻射的能量就越高。