“鸚鵡螺”未來之光

陳　冰

“鸚鵡螺”的能量僅次于世界上僅有的3臺高能光源，是目前世界上正在建造或設(shè)計中的性能最好的中能光源之一。

鸚鵡螺，大自然中的數(shù)學(xué)家和美學(xué)家。它的外殼有著黃金分割的完美比例，和一條用數(shù)學(xué)公式可以算出的曲線構(gòu)成。它的生長線還與地球和月亮自轉(zhuǎn)有關(guān)，所以鸚鵡螺一直非常神秘，以至于凡爾納在小說《海底兩萬里》中，把潛艇的名字命名為“鸚鵡螺”號。

眼下，一只巨大而神奇的“鸚鵡螺”已悄然矗立在上海張江高科技園區(qū)西南部，2009年5月它將正式發(fā)光。這座在陽光下熠熠生輝的環(huán)形建筑就是我國迄今為止最大的大科學(xué)裝置和大科學(xué)平臺——上海光源。

SSRF

上海光源，實際上是上海同步輻射光源的簡稱，英文全名為Shanghai Synchrotron Radiation Facility，縮寫為SSRF。作為國家級大科學(xué)裝置和多學(xué)科的實驗平臺，上海光源由全能量注入器（包括150MeV電子直線加速器、周長180米的全能量增強器和注入／引出系統(tǒng)）、電子儲存環(huán)（周長432米，能量3.5GeV）、光束線和實驗站組成。

在這個碩大的圓形裝置中，全能量注入器提供電子束并使其加速到所需能量，無數(shù)電子束以接近光的速度在閉合環(huán)形的真空電子儲存環(huán)中運行，并在拐彎時放出同步輻射光。電子儲存環(huán)是同步輻射光源的主體與核心，它的性能直接決定了同步輻射光源性能的優(yōu)劣。為了保證向用戶提供在空間位置上高度穩(wěn)定的同步輻射光，電子束軌道的穩(wěn)定需要被控制在微米量級。

光束線沿著電子儲存環(huán)的外側(cè)分布，它起著用戶實驗站與電子儲存環(huán)之間的橋梁作用。也就是說這道“光閘”將從電子儲存環(huán)引出的同步輻射光束“條分縷析”出從遠紅外到硬X射線等不同波長的同步射光，并按用戶要求進行準(zhǔn)直、聚焦等再加工，然后輸送到用戶實驗站。

在實驗站，同步輻射光被“照射”到各種各樣的實驗樣品上，同時科學(xué)儀器記錄下實驗樣品的各種反應(yīng)信息或變化，經(jīng)處理后變成一系列反映自然奧秘的曲線或圖像?？茖W(xué)家和工程師們不僅可以利用強大光速快速測定蛋白質(zhì)三維晶體結(jié)構(gòu)，還能完成對超大規(guī)模集成電路的“精雕細刻”。

從2004年12月25日正式破土動工，到2009年4月完成調(diào)試后向用戶開放，這臺投資超過12億人民幣的中能第三代同步輻射光源，能量僅次于世界上僅有的3臺高能光源（日本SPring-8、美國APS、歐洲ESRF），是目前世界上正在建造或設(shè)計中的性能最好的中能光源之一，現(xiàn)階段與之可比的只有英國的DIAMOND光源、法國的SOLEIL光源和西班牙的ALBA光源。

神奇的光

同步輻射光是真空中以接近光速運動的電子束在運動方向改變時，沿切線方向放出的光。同步輻射光具有一系列獨特而優(yōu)異的性能——它波長范圍寬，從遠紅外到硬X射線連續(xù)可調(diào)；強度和亮度高，是X光機的上萬到上億倍；高準(zhǔn)直性，幾乎是平行光；優(yōu)良的脈沖時間結(jié)構(gòu)，脈沖寬度10－11秒、脈沖間隔達10－9秒；高偏振、準(zhǔn)相干性、高純凈；可準(zhǔn)確計算同步輻射的光子通量、角分布和能譜等；可以提供十幾到幾十小時的穩(wěn)定光束。因此同步輻射光源被科學(xué)家稱之為繼電光源、X光源和激光光源之后，第四次為人類的文明帶來革命性的新光源。

第一代同步輻射光源“寄生”于高能物理實驗電子儲存環(huán)。隨著同步輻射光巨大利用前景和需求的顯現(xiàn)，專門用來產(chǎn)生同步輻射光的第二代同步輻射光源應(yīng)運而生。當(dāng)探索微觀世界的進程越來越深入，迫切需要亮度更高、性能更好的光源，科學(xué)家們使用特殊設(shè)計的插入件，使電子束運動方向發(fā)生周期性變化，從而疊加得到亮度增加上萬倍的同步輻射光，這就是目前國際上最先進的第三代同步輻射光源。

第一代、第二代、第三代同步輻射光源之間的最主要的區(qū)別，是在于作為發(fā)光光源的電子束斑尺寸或電子發(fā)射度的迥異。第二代的同步輻射光源，其電子束發(fā)射度一般為40－150納米弧度，而第三代的上海光源，其電子束發(fā)射度約4納米弧度，二者相差10－40倍，結(jié)果得到的光亮度差100－1600倍，達兩三個量級！另一顯著差別是可使用的插入件的數(shù)量懸殊，第二代光源僅能安裝幾個插入件，而第三代光源可有十幾個到幾十個插入件。由于插入件產(chǎn)生的光較之彎轉(zhuǎn)磁鐵產(chǎn)生的光具有更高的亮度和更好的性能，可見插入件數(shù)量的多寡可直觀地表征光源的性能的優(yōu)劣。

上海光源具有建設(shè)60多條光束線、上百個實驗站的能力，向用戶供光時間將達到每年5000小時以上。作為先進的中能第三代同步輻射光源，上海光源本身具有很高的現(xiàn)代高科技的融合度和集成度，因此它將成為我國顯示綜合科技實力的標(biāo)志性重大科學(xué)裝置，并為提升國家知識創(chuàng)新能力和綜合科技實力做出不可替代的重要貢獻。

科研聯(lián)合國

利用同步輻射實驗技術(shù)開展實驗研究所涉及的學(xué)科之眾多，應(yīng)用的領(lǐng)域之廣泛，是其他大科學(xué)裝置無法比擬的。

生命科學(xué)和醫(yī)藥學(xué)與人類健康生活息息相關(guān)，也是同步輻射光得到廣泛應(yīng)用的重要領(lǐng)域。要從根本上掌握生命現(xiàn)象基本規(guī)律，必須了解基因載體——蛋白質(zhì)分子的三維結(jié)構(gòu)，破解其結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。測定蛋白質(zhì)分子三維結(jié)構(gòu)的最有效的手段是X射線蛋白質(zhì)晶體衍射。由于蛋白質(zhì)晶體體積?。◣资畟€微米），且分子數(shù)目少，要求所用的X射線光具有高亮度。如用X光機束測一套蛋白質(zhì)晶體衍射數(shù)據(jù)的話，需要幾十個小時；用二代光源，需要幾十分鐘；用第三代光源則只要幾秒鐘。另外，同步光源還具有短脈沖（小于0.0000000001秒）時間結(jié)構(gòu)，為實時觀測生物分子結(jié)構(gòu)動態(tài)變化過程提供了可能性，將把生命科學(xué)研究帶入一個嶄新的時代。而以蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能研究為主要目標(biāo)的結(jié)構(gòu)基因組學(xué)研究，其中80%以上的工作需要在第三代同步輻射光源上進行。

英國科學(xué)家J.Walker、美國科學(xué)家R.Mackinnon和R.Kornberg借助同步輻射研究生物分子的結(jié)構(gòu)與功能，取得了突破性的成就，先后榮獲1997年度、2003年度和2006年度諾貝爾化學(xué)獎。

研究病毒以及病毒與人體內(nèi)發(fā)生作用的生物分子的結(jié)構(gòu)，對于弄清病毒的致病機理與過程至關(guān)重要，利用這些結(jié)構(gòu)信息有針對性地進行藥物設(shè)計、合成與篩選，可以大大加快新藥物研制的進程。利用這種方法，國外已成功研制出用于治療艾滋病的藥物，對于降低艾滋病的死亡率起到了良好的作用。在2003年我國出現(xiàn)SARS疫情后不久，我國科學(xué)家就利用同步輻射光成功測定了SARS病毒主蛋白酶的結(jié)構(gòu)，為研制抵御SARS病毒的藥物提供了重要信息。

在醫(yī)學(xué)診斷方面，同步輻射光也展示出了非常重要的應(yīng)用前景。利用同步輻射光的雙色減影心血管造影技術(shù)，能為心血管病的早期診斷提供安全、快速、高清晰的診斷依據(jù)。以同步輻射光源替代普通X光，能大大提高CT的空間分辨率，縮短掃描時間，提高圖像質(zhì)量。最近，人們又利用第三代同步輻射X光源射線橫向相干性好的特性，發(fā)展了X射線相位反襯成像技術(shù)，能夠清晰地拍攝出吸收反襯很弱的軟組織如血管、神經(jīng)等的照片，人們將能看到邊緣清晰的X光片，并有望發(fā)展出不需要造影劑的“心血管造影術(shù)”。

環(huán)境污染、生態(tài)失衡、資源短缺、地球變暖和自然災(zāi)害等，都對人類的生存構(gòu)成了直接威脅，地球和環(huán)境科學(xué)面臨的許多挑戰(zhàn)正成為世界性的課題。分子環(huán)境科學(xué)以同步輻射X射線譜學(xué)技術(shù)作為主要分析手段，能在分子水平上描述環(huán)境污染物的形態(tài)，研究污染物的遷移和轉(zhuǎn)化的復(fù)雜化學(xué)過程，從而評估污染風(fēng)險和確定污染治理方案。而基于分子環(huán)境科學(xué)所建立起來的受環(huán)境污染植物的修復(fù)技術(shù)，以其自然、生態(tài)、綠色的特點而越來越受到重視與歡迎，可望產(chǎn)生重大的社會效益和經(jīng)濟效益。在地球科學(xué)研究方面，利用高亮度同步輻射X射線作為微探針，將能夠深入地了解地殼深處和地幔中礦物的演變和轉(zhuǎn)化，對于礦床地質(zhì)、礦物、巖石、探礦以及地球化學(xué)研究起著重要的作用。

在高分子材料改性和開發(fā)研究方面，同步輻射光所起的作用受到越來越多的關(guān)注。利用同步輻射光源所產(chǎn)生的高亮度同步輻射光束，可以揭示材料中原子的精確構(gòu)造和得到有價值的電磁結(jié)構(gòu)參數(shù)等信息，它們既是理解材料性能的“鑰匙”，也隱含著發(fā)明新穎材料的理論來源。所以材料科學(xué)家和他們所服務(wù)的企業(yè)將成為第三代同步輻射光源的大用戶。

移動通訊和便攜式電腦市場的迅猛發(fā)展導(dǎo)致對質(zhì)輕、價低、續(xù)航時間長的可充電電池的需求激增，各國的制造商正在為掌握新的電化學(xué)反應(yīng)以開發(fā)高性能的電池而陳兵鏖戰(zhàn)，而同步輻射光正是他們手中的新式武器。

在石化及化學(xué)工業(yè)中，催化劑起著核心作用，對產(chǎn)出有重要影響。利用同步輻射光可以研究催化機理和催化劑的特性，這有助于研究發(fā)明新型催化劑，其結(jié)果直接影響到石油化工的效率和產(chǎn)出。放眼世界，各大石油公司均已在同步輻射光源上建有專用的光束線站，假如沒有高性能的第三代同步輻射光源先進技術(shù)的支持，我國企業(yè)將面臨十分被動的局面，因為一種催化劑的成敗，會導(dǎo)致進口貨和國產(chǎn)品每年的銷售差價超過10億元人民幣之多。

微電子機械系統(tǒng)（MEMS）是一種高智能度、高集成度的系統(tǒng)。科學(xué)家預(yù)言，20年后MEMS產(chǎn)出的社會和經(jīng)濟效益將相當(dāng)于今天微電子技術(shù)所產(chǎn)生的。第三代同步輻射光源的X射線深度刻蝕光刻技術(shù)（LIGA技術(shù)），可以制造肉眼難以看清的微型馬達、微型齒輪、微型傳感器、微型噴嘴、微型泵閥、微型電子開關(guān)、微型醫(yī)用器件、微型光纖耦合接插件和微型微電子器件接口接插件等許多三維微型裝置，并可進一步發(fā)展為高度智能化、集成化的微型電子－機械系統(tǒng)（MEMS），如微型儀器、微型機器人，它們在航天、醫(yī)學(xué)、國防、自動化等許多領(lǐng)域有廣闊的可開發(fā)市場。

在許多其他產(chǎn)業(yè)研發(fā)與檢測方面，如超大規(guī)模集成電路中硅晶片中的痕量雜質(zhì)探測分析、飛機發(fā)動機和航天器的疲勞測試、紙漿無氯漂白工藝改進、化妝品效果分析乃至新口味凝膠食品的開發(fā)等，同步輻射光都將大顯其非凡身手。

上海光源首批建成的光束線和實驗站已位居國際先進水平，上百名來自不同學(xué)科和高技術(shù)領(lǐng)域的科學(xué)家、工程師可以同時開展科學(xué)實驗和技術(shù)研發(fā)。僅僅試想一下，就可以感受到那熱火朝天的科研氛圍。不同學(xué)科間的學(xué)術(shù)交流和腦力激蕩，必將萌發(fā)出更多新思想、創(chuàng)造出更多新方法、開辟出更多新學(xué)科。

來自鸚鵡螺的未來之光已經(jīng)在晨曦中顯露，鸚鵡螺的破繭而出指日可待。（圖片提供：中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所）

上海光源工程大事記

1993年12月，丁大釗、方守賢、冼鼎昌三位中科院院士建議“在我國建設(shè)一臺第三代同步輻射光源”。1995年2月，當(dāng)謝希德、楊福家等政協(xié)委員在上海市政協(xié)八屆三次會議上提出“關(guān)于上海建造第三代同步輻射光源”提案時，世界上已有50多臺同步輻射光源，在國內(nèi)，北京與合肥已分別有第一代與第二代同步光源落戶，但上海卻尚無“光源”一說。

這一提案在上海市政協(xié)八屆三次會議上一經(jīng)提交，迅速得到了市委、市政府的高度重視。1995年3月中國科學(xué)院和上海市政府決定共同向國家建議建設(shè)第三代同步輻射光源；經(jīng)過研究、論證，該項目于當(dāng)年列入上?？萍肌熬盼逵媱潯?，為上海光源的引駐鋪平了道路。1999年7月，“上海光源”定址上海張江高科技園區(qū)，2004年12月25日，正式破土動工。