更清楚地了解微觀世界

吳月輝

習近平總書記指出，要高標準建設國家實驗室，推動大科學計劃、大科學工程、大科學中心、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”等大科學裝置，既是前沿科學思想和先進技術(shù)的集成，也是開展基礎(chǔ)研究、獲取原創(chuàng)成果的利器。

北京懷柔科學城北部核心區(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，項目的土建工程已完成總工程量的50%。筆者日前走進高能光源的施工現(xiàn)場，實地探訪這一國家重大科技基礎(chǔ)設施。

同步輻射光源已成為尖端科學研究及工業(yè)應用不可或缺的實驗利器

在高能光源項目總指揮、中國科學院高能物理研究所（以下簡稱中科院高能所）研究員潘衛(wèi)民的辦公室墻上，掛著一張大大的時間進度表，上面詳細標注著工程所有的重要節(jié)點和計劃完成時間。

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進展，有時遇到不可預見的難題，項目組也會適時地對進度進行調(diào)整。最近即將迎來的一個重要節(jié)點是在今年7月初安裝第一臺加速器設備。“目前來看，各項進展都還比較順利，按期高質(zhì)量地完成這個目標應該沒有問題?！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動時沿切線方向發(fā)出的電磁輻射，也叫做同步光。這個場景就像是在雨中快速轉(zhuǎn)動雨傘，沿傘邊緣的切線方向會飛出一簇簇水珠。中科院高能所副所長、高能光源工程常務副總指揮董宇輝研究員告訴筆者：“同步光具有穿透性強、高亮度、高強度和能譜寬等特點，可以幫助人類觀察肉眼看不到的微觀世界。”

當同步光照射在物質(zhì)上時，就會產(chǎn)生許多不同的效應，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。這些效應與物質(zhì)本身的物理或化學特性密切相關(guān)。“因此，我們通過探測到的這些反應，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)和運動規(guī)律?！倍钶x說。

為了制造能量更高、亮度更強的同步光，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同步輻射設施建設的投入。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全世界已相繼建成50多臺同步輻射光源。

“如今，同步輻射光源已成為尖端科學研究及工業(yè)應用不可或缺的實驗利器，可廣泛用于材料、生物、醫(yī)藥、物理、化學、地質(zhì)等領(lǐng)域?！倍钶x說，“比如在醫(yī)學領(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?！?h3>第四代高能同步輻射光源具有更高的分辨率

20世紀80年代末，依托于北京正負電子對撞機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方案。目前世界上已有3個“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：“在應用方面，我國已有的三個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，正式列入《國家重大科技基礎(chǔ)設施建設“十三五”規(guī)劃》。兩年后，項目在北京懷柔科學城正式開工建設，主要建設內(nèi)容由加速器、光束線站和配套設施等組成。

潘衛(wèi)民說：“高能光源的外觀被設計成一個放大鏡的形狀，寓意‘探索微觀世界的利器。其中，周長近1.4公里的儲存環(huán)及實驗大廳，猶如放大鏡的鏡框，是造型的點睛之筆，也是將來放置大型科學儀器的地方?！?/p>

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?！耙吹轿镔|(zhì)里的細節(jié)，很重要的一點就是要有足夠的亮度。比方說，打個手電筒看東西，手電筒越亮，就能看得越清楚。光越亮意味著探測的精度越高，探測速度也越快?！倍钶x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)，這對材料科學和生命科學的發(fā)展具有重要作用?！?h3>在加速器、光束線等多個關(guān)鍵技術(shù)上實現(xiàn)創(chuàng)新

根據(jù)目前的設計方案，高能光源建成后將擁有世界最高光譜亮度。

“屆時，除了開展科學研究，科研人員還可以利用高能光源，進一步探測分析飛機發(fā)動機材料在工作狀態(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計和建設新一代同步輻射光源，并啟動了相關(guān)的預研工作。

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，對加速器、光束線和實驗站等多個關(guān)鍵技術(shù)難點進行攻關(guān)，取得了很好的成效，也有諸多創(chuàng)新?！?/p>

探測器是各種同步輻射實驗的核心設備，李明告訴筆者，以往我國同步輻射光源上的探測器主要依賴進口。針對高能光源的實際需求和未來同步輻射探測器發(fā)展趨勢，研究團隊自主研制出新型X射線像素陣列探測器樣機，性能指標達到國際主流同類探測器產(chǎn)品水平。

按照計劃，高能光源將在2025年底建成并投入使用。首期建設的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，隨著工程建設的進一步展開，研究團隊也將持續(xù)攻克更多的難關(guān)?！拔覀冊诟吣芄庠吹慕ㄔO中，將最大程度地實現(xiàn)器件的國產(chǎn)化?！倍钶x表示。