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高能同步輻射光源啟動帶光聯調 懷柔科學城發出“最亮的光”

2025年03月30日07:03 | 來源:北京日報
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  懷柔山水間,坐落著我國第一台高能同步輻射光源。

  致廣大而盡精微。高能同步輻射光源佔地面積相當於90個足球場,“照亮”的卻是納米級的微觀世界。經過5年多的建設,高能同步輻射光源已成功發出“第一束光”,3月27日,該裝置正式啟動帶光聯調,建設進入沖刺階段。

  與懷柔科學城共成長

  2017年,北京懷柔綜合性國家科學中心獲批建設,同年,高能同步輻射光源也獲批立項。“第一次來到這裡的時候,周邊還是一片荒草地,經過我們團隊5年多的努力,現在,裝置已經出光。”高能同步輻射光源工程總指揮潘衛民感慨。

  2019年6月29日,高能同步輻射光源在懷柔科學城啟動建設﹔2021年6月28日,第一台科研設備安裝﹔2023年3月14日,直線加速器滿能量出束﹔2024年7月1日,儲存環全環貫通進入聯調階段……高能同步輻射光源與懷柔科學城一同成長。

  從零開始建起一座世界頂尖的大科學裝置,科研團隊要攻克的關卡數不勝數。走在儲存環隧道中,潘衛民指了指平整的地面,驕傲地說:“就在我們的腳下,3米厚的素混凝土和0.8米厚的鋼筋混凝土替代了原本的泥土,讓裝置成為一個整體,實現了運行期間微振動小於25納米的目標——如果在一座普通建筑裡,哪怕只是跺一下腳,周邊設備的振動幅度都會達到微米級。”

  在這裡,一切標准都精益求精。儲存環內裝有1776塊顏色各異的磁鐵,在它們的指揮下,電子束流穩定地在真空“跑道”內高速奔跑。這條“跑道”最窄處的孔徑隻有兩三毫米,容不得半分誤差。但在裝置建設時,真空盒的安裝卻總是發生細微形變,愁壞了技術團隊。

  “我們經過反復的實驗,最后發現,解決方法竟然很簡單——收到產品后先靜置一兩個星期,待金屬應力釋放后再安裝,問題就迎刃而解。” 5年多來,類似的故事潘衛民幾乎每周都能遇到。“現在回頭看,儲存環設備剛開始建設時,隧道裡沒有開水、沒有空調、沒有手機信號……我們團隊就這樣一步步走過來,並向著更高、更精密的目標前進。一生中有機會參與這麼大的工程,真的是無比幸運。”

  留下第一束光的身影

  2024年10月12日晚,高能同步輻射光源。

  一束束高能電子正以每秒近20萬圈的速度,在全長1.36千米的儲存環內飛奔。過程中,電子束的運動方向發生偏轉時,處於X射線波段的光子沿圓環的切線方向徑直飛出,匯聚成比太陽亮度高1萬億倍的同步輻射光。

  其中的一束光,第一次“出了圈”。它率先跨過儲存環21區插入件光束線站的引光口,筆直地射向350米外的出光口。

  技術人員早已做好布置,在出光口挂起一張橙色“底片”。隨后,閘門打開,眨眼間,“底片”上就浮現出一個規整的黑色方塊——這就是高能同步輻射光源“第一束光”留下的身影。

  “第一束光”“2024.10.12 21:30”“曝光0.1s(秒)”……中國科學院高能物理研究所副所長、高能同步輻射光源工程常務副總指揮董宇輝在“底片”上記錄這一刻的珍貴數據,他穩穩舉起這張“成績單”,身后是30多張燦爛的笑臉。

  “這個大裝置就像一台超大號的X光機,它發出的光線能量可達300千電子伏特,可以穿透幾厘米的鋼板。比起普通的X光機,它的亮度要高萬億倍,能幫助我們更好地看清微觀世界。”董宇輝說,這束光的出現,標志著一個前所未有的實驗條件形成,從航空航天、納米科技到生物醫學、新材料研發,它能幫助科研人員完成一些原本不可能的任務。

  微觀世界更加清晰

  現在,裝置已完成加速器和首批7條光束線站建設,開展了多輪束流調試和帶光調試。不過,第一個被裝置“照亮”的樣品卻是一塊“缺陷品”——這塊3毫米厚的不鏽鋼板上,預制了幾十微米深的微裂紋。在硬X射線成像線站中,鋼板內部肉眼不可見的裂紋無所遁形。

  “其實這是專門制作的標准樣品,我們要通過它來証明裝置的性能。可以看到,結果是很好的,裝置的高能高亮度讓光線穿透更深、分辨率更高,靈敏度顯著提高,看到更多的細微結構。”董宇輝說,近期已有多個金屬構件、鋰電池樣品在這裡接受透視。在另一處測試線站,團隊還通過新方法,實現了高達4.2皮米的模糊波前檢測精度,創下“世界之最”。

  現在,裝置已進入第五輪束流調試階段,將瞄准兩項驗收指標不斷優化。“雖然這項工作才剛開始,我們已經收獲了一個好消息,束流的發射度降至93皮米弧度,這意味著其中一項指標已經達標。”對於接下來的工作,潘衛民充滿期待。前段時間,裝置還實現了一種創新的注入引出機制,引出的電子束流可以循環再利用,讓裝置運行更加綠色環保。

  “高能同步輻射光源落地在懷柔科學城,我們當然也要在北京建設國際科技創新中心的過程中出一份力。這束‘最亮的光’能幫助科研團隊快速獲取實驗結果,進而推動工業產品研發不斷提速。”董宇輝表示,目前,裝置已與在京高校、科研機構、企業等主體展開合作,特別是圍繞北京重點發展的醫藥健康、人工智能、電子信息等產業領域。裝置在建設過程中,就已持續推動我國精密光學、探測器等技術領域的設計制造能力實現突破。接下來,一束束光線的發出,也將“照亮”我國基礎科學和工業創新的發展前路。(本報記者 劉蘇雅)

(責編:李世奇、高星)

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