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我國自主研制的首臺(tái)第三代同步輻射裝置上海光源

“鸚鵡螺”里照見微觀世界（瞰前沿·大國重器）

本報(bào)記者??黃曉慧

資料來源：中國科學(xué)院上海高等研究院

建設(shè)中的高能同步輻射光源。

懷柔科學(xué)城管委會(huì)供圖

合肥光源。

國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室供圖

核心閱讀

作為科研利器、我國自主研制的首臺(tái)第三代同步輻射裝置，上海光源服務(wù)了眾多科研團(tuán)隊(duì)、產(chǎn)出了大量的前沿成果。

實(shí)驗(yàn)站里，同步輻射光讓微觀世界“纖毫畢現(xiàn)”，在生命科學(xué)、凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)、能源與環(huán)境科學(xué)等多個(gè)學(xué)科前沿基礎(chǔ)研究和高新技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域產(chǎn)生了一批具有國際影響力的研究成果，也照亮了眾多科學(xué)家的科研之路。

這束光，讓物質(zhì)“纖毫畢現(xiàn)”

藍(lán)天白云下，外觀酷似“鸚鵡螺”的銀白色建筑矗立。這是上海光源，既是張江科學(xué)城的地標(biāo)，也是起點(diǎn)。

作為科研利器，上海光源是我國自主研制的第一臺(tái)第三代同步輻射裝置。2009年開放至今，近800家單位、4.5萬用戶借助上海光源的科研慧眼，探究物質(zhì)的微觀世界。

在上海光源，總能聽到科研服務(wù)團(tuán)隊(duì)報(bào)方位——“我現(xiàn)在在環(huán)上”。環(huán)在哪里？走進(jìn)“鸚鵡螺”殼內(nèi)，站在實(shí)驗(yàn)大廳，猶如置身四壁回聲的螺體，映入眼簾的是大廳里一個(gè)碩大的環(huán)形裝置，像一只蜷成圈的蜈蚣，裝置外側(cè)分布著一個(gè)個(gè)用戶實(shí)驗(yàn)站，就像蜈蚣的腳。這就是科研人員口中的“環(huán)”，其實(shí)是同步輻射光源的核心部件電子儲(chǔ)能環(huán)，又名環(huán)形加速器，里面大約有2.2萬億個(gè)電子晝夜不停地高速旋轉(zhuǎn)。環(huán)形加速器的性能優(yōu)劣，直接決定同步輻射光源性能的優(yōu)劣。

“在這個(gè)周長432米的環(huán)形加速器中，能量為35億電子伏特的電子束以接近光的速度飛行，在拐彎時(shí)放射出高強(qiáng)度電磁波。這些電磁波經(jīng)過‘條分縷析’，形成不同波長的、高品質(zhì)的同步輻射光，波段從遠(yuǎn)紅外到硬X射線，傳送到實(shí)驗(yàn)站的待測樣品上?！鄙虾９庠纯茖W(xué)中心主任、中國工程院院士趙振堂說。

在實(shí)驗(yàn)站里，同步輻射光照射在細(xì)胞、生物體、物理和化工材料等實(shí)驗(yàn)樣品上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生衍射、散射、折射、吸收等現(xiàn)象，引起樣品的激發(fā)、電離和碎裂等，科學(xué)儀器同步記錄下它們的各種反應(yīng)信息或變化，經(jīng)處理后以一條條曲線、一幅幅圖像呈現(xiàn)?？蒲腥藛T聚精會(huì)神，等待著那一串串揭示自然奧秘的密碼。

多亮的光才能讓微觀世界“纖毫畢現(xiàn)”？醫(yī)院里使用的X光能拍攝出肉眼看不見的器官和組織，而上海光源同步輻射裝置釋放的光，亮度是普通X光的百億倍、千億倍，使人們能夠在原子和分子尺度上觀察物質(zhì)。比如大自然中結(jié)構(gòu)未知的蛋白質(zhì)多達(dá)數(shù)十萬種，同步輻射光能讓實(shí)驗(yàn)測量蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的時(shí)間，從過去的按天算縮短到數(shù)小時(shí)、幾分鐘。“鸚鵡螺”就像一臺(tái)多用戶的“超級(jí)顯微鏡”，病毒的結(jié)構(gòu)、古生物化石的演變、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片金屬疲勞測試、化妝品效果分析，都逃不過它的“火眼金睛”。

在“鸚鵡螺”的“光速”助攻下，上海光源用戶有“氫氣低溫制備和存儲(chǔ)”和“二氧化碳人工合成葡萄糖和脂肪酸”等15項(xiàng)成果入選“中國科學(xué)十大進(jìn)展”“中國十大科技進(jìn)展”，還有入選國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》“十大科學(xué)突破”、美國化學(xué)會(huì)“十大科研成果”、歐洲《物理世界》“十大科學(xué)突破”等躋身國際一流的標(biāo)志性成果。

2009年開放運(yùn)行時(shí)，上海光源只有7條光束線、不到10個(gè)實(shí)驗(yàn)站，如今已經(jīng)延展出34條光束線、46個(gè)實(shí)驗(yàn)站。盡管“鸚鵡螺”已是世界上最繁忙的大科學(xué)裝置，每年開機(jī)時(shí)長達(dá)7000個(gè)小時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)供光約為5500小時(shí)，但也僅能滿足1/4的機(jī)時(shí)申請。

粒子世界里的“追光人”

從2004年底動(dòng)工開建，到如今成為我國用戶最多、用戶產(chǎn)出成果最多的大科學(xué)裝置，上海光源凝聚著我國幾代科學(xué)家的心血。

早在1993年，方守賢、丁大釗、冼鼎昌3位院士根據(jù)國際發(fā)展趨勢和我國科學(xué)研究的需求，提出建設(shè)第三代同步輻射光源的建議，并很快得到了中國科學(xué)院和上海市的支持。歷經(jīng)10年立項(xiàng)和52個(gè)月緊張建設(shè)，上海光源以世界同類裝置最少的投資和最快的建設(shè)速度，成為當(dāng)時(shí)國際上性能指標(biāo)領(lǐng)先的第三代同步輻射光源之一，是我國大科學(xué)裝置建設(shè)的一個(gè)成功范例。

那時(shí)的上海張衡路周邊還是農(nóng)田，中國科學(xué)院從高能物理所、中國科技大學(xué)等單位抽調(diào)骨干，組建了一支約140人的預(yù)研隊(duì)伍。中國科學(xué)院高能物理所加速器物理學(xué)家陳森玉院士任上海光源工程總顧問，負(fù)責(zé)組建上海同步輻射光源工程研制隊(duì)伍，現(xiàn)任上海光源科學(xué)中心主任趙振堂也在這批援建骨干之中。他們通過不斷研究掌握了建設(shè)第三代同步輻射裝置的重大關(guān)鍵技術(shù)，成功研制出重要部件的樣機(jī)等，為建設(shè)上海光源奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

上海光源2004年12月正式破土動(dòng)工，2006年主體建筑結(jié)構(gòu)封頂，2007年2月完成全部建設(shè)任務(wù)，2007年12月儲(chǔ)存環(huán)成功實(shí)現(xiàn)束流儲(chǔ)存并出光……提到首次“出光”的場景，許多上海光源的科研人員仍歷歷在目，在場的所有人都聚集在中控室歡呼，我國自此擁有了自主研發(fā)的第三代同步輻射光源。

“業(yè)界有個(gè)說法，光源建成之時(shí)就是改造啟動(dòng)之日，‘追光之路’永不止步 ?！壁w振堂說。這些年，上海光源不斷改進(jìn)、迭代、拓展，從學(xué)習(xí)者躍升為可以和國際同行坐在一起探討的分享者。建設(shè)中國的先進(jìn)光源、支撐國家科技發(fā)展，是我國幾代科學(xué)家鍥而不舍的追求。

通過上海光源線站工程的建設(shè)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)攻克了一系列核心關(guān)鍵技術(shù)，研制了一批具有國際一流水平的關(guān)鍵設(shè)備，建成了一批關(guān)鍵性能指標(biāo)位居國際前列或獨(dú)有的光束線站，使得上海光源的實(shí)驗(yàn)研究能力實(shí)現(xiàn)了跨越式提升。

建好僅是開始，用好才是關(guān)鍵。上海光源第一批用戶包信和院士團(tuán)隊(duì)，利用上海光源同步輻射X射線吸收（XAFS）原位分析技術(shù)優(yōu)勢，產(chǎn)出“納米限域催化”領(lǐng)域一系列重磅成果，并獲得2020年度國家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)；中國科學(xué)院物理所丁洪團(tuán)隊(duì)，利用上海光源在國際上首次發(fā)現(xiàn)了外爾費(fèi)米子……運(yùn)行開放16年來，上海光源圍繞科學(xué)前沿、國家重大需求與產(chǎn)業(yè)核心問題支撐用戶開展創(chuàng)新研究，提供了一個(gè)跨學(xué)科、綜合性、多功能的大科學(xué)研究平臺(tái)，在生命科學(xué)、凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)、化學(xué)、能源與環(huán)境科學(xué)等多個(gè)學(xué)科前沿基礎(chǔ)研究和高新技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域產(chǎn)生了一批具有國際影響力的研究成果，照亮了眾多科學(xué)家的科研之路。

“2016年前，張江只有上海光源一個(gè)大科學(xué)裝置，目前上海已建、在建和規(guī)劃的設(shè)施已達(dá)20個(gè)，我們從一個(gè)追趕者變成了局部領(lǐng)跑者。未來，張江科學(xué)城的光子科學(xué)設(shè)施將構(gòu)成一個(gè)集群，建成世界三大光子科學(xué)中心之一?！敝袊茖W(xué)院院士李儒新說。

■鏈接

高能同步輻射光源

北京高能同步輻射光源，是我國首臺(tái)第四代同步輻射光源，由中國科學(xué)院高能物理研究所承建，2019年6月啟動(dòng)建設(shè)。目前，高能同步輻射光源直線加速器、增強(qiáng)器已滿能量出束，儲(chǔ)存環(huán)完成全環(huán)閉環(huán)安裝。設(shè)施建成后，可發(fā)射比太陽亮度高1萬億倍的光，將成為世界上亮度最高的第四代同步輻射光源之一，可以幫助我們更好地看清微觀世界，揭示物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)生成及演化機(jī)制，并與我國現(xiàn)有的光源形成能區(qū)互補(bǔ)，面向航空航天、能源環(huán)境、生命醫(yī)藥等領(lǐng)域用戶開放。

（本報(bào)記者李建廣采訪整理）  

合肥光源

合肥光源是我國首個(gè)專用同步輻射裝置，也是我國自主建設(shè)的第二代同步輻射光源，歷經(jīng)一期工程、二期工程建設(shè)而成，并于2015年完成設(shè)施的重大升級(jí)改造，是國內(nèi)唯一優(yōu)化在極紫外至軟X射線能區(qū)的光源。合肥光源充分發(fā)揮紅外—極紫外特色線站的競爭力，支持內(nèi)燃機(jī)等動(dòng)力設(shè)備高性能燃料的研發(fā)，提供了我國空間探測等領(lǐng)域中關(guān)鍵元器件的絕對(duì)定標(biāo)，在波帶片、光柵等關(guān)鍵元件研發(fā)上處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。合肥光源為我國物理、化學(xué)、生物、材料等多領(lǐng)域前沿研究提供了重要的支撐。

此外，第四代同步輻射光源“合肥先進(jìn)光源”正在加速落地中。

（本報(bào)記者田先進(jìn)采訪整理）