2025年底北京高能同步輻射光源將建成並投入使用

將成為世界上最亮的第四代同步輻射光源之一

2021年03月22日10:17  來源:人民網-人民日報
 
原標題:更清楚地了解微觀世界(走近大科學裝置①)

  北京高能同步輻射光源效果圖。

  中國科學院高能物理研究所供圖

  開欄的話

  習近平總書記指出,要高標准建設國家實驗室,推動大科學計劃、大科學工程、大科學中心、國際科技創新基地的統籌布局和優化。作為國家重大科技基礎設施的代表,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的集成,也是開展基礎研究、獲取原創成果的利器。

  從今天起,本版推出“走近大科學裝置”系列報道,通過實地採訪大科學裝置,介紹其科學原理、技術創新和科研進展,展示我國基礎研究的新成果、新進展。

  北京懷柔科學城北部核心區,從高空俯瞰,周長近1.4公裡的北京高能同步輻射光源(以下簡稱高能光源)主體大環輪廓清晰可見,正等待最后的連接成環。

  這是我國第一台高能同步輻射光源,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%。記者日前走進高能光源的施工現場,實地探訪這一國家重大科技基礎設施。

  同步輻射光源已成為尖端科學研究及工業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)研究員潘衛民的辦公室牆上,挂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點和計劃完成時間。

  每天,潘衛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整。最近即將迎來的一個重要節點是在今年7月初安裝第一台加速器設備。“目前來看,各項進展都還比較順利,按期高質量地完成這個目標應該沒有問題。”潘衛民說。

  什麼是同步輻射光源?

  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記者:“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上時,就會產生許多不同的效應,比如光電子發射、離子或中性原子脫離、吸收、散射等現象。這些效應與物質本身的物理或化學特性密切相關。“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的微觀結構和運動規律。”董宇輝說。

  為了制造能量更高、亮度更強的同步光,人類發明了可產生這種光的大工具——同步輻射光源。

  迄今為止,世界上70%的已知生物大分子結構:蛋白質、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。據不完全統計,目前全世界已相繼建成50多台同步輻射光源。

  “如今,同步輻射光源已成為尖端科學研究及工業應用不可或缺的實驗利器,可廣泛用於材料、生物、醫藥、物理、化學、地質等領域。”董宇輝說,“比如在醫學領域,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生和發展機制,為重大疾病的早期診斷與治療提供關鍵理論基礎和技術支撐。”

  第四代高能同步輻射光源具有更高的分辨率

  上世紀80年代末,依托於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並投入使用。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,同步輻射光源正經歷由第三代向第四代的跨越。盡管我國已經擁有三代同步輻射光源,但它們均處於低、中能量區,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於所處能量區的限制,雖然能夠‘看見’所觀察物質的分子結構,但是捕捉其變化過程,特別是在真實狀態下物質結構的變化過程,還有很大的困難和不足。”

  2016年底,高能同步輻射光源建設,正式列入《國家重大科技基礎設施建設“十三五”規劃》。兩年后,項目在北京懷柔科學城正式開工建設,主要建設內容由加速器、光束線站和配套設施等組成。

  潘衛民說:“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公裡的儲存環及實驗大廳,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。”

  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。“要看到物質裡的細節,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。”董宇輝說,“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部結構,這對材料科學和生命科學的發展具有重要作用。”

  在加速器、光束線等多個關鍵技術上實現創新

  根據目前的設計方案,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動機材料在工作狀態下的結構,為相關材料攻關提供更多信息。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部缺陷的主力。”董宇輝說。

  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,並啟動了相關的預研工作。

  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鍵技術難點進行攻關,取得了很好的成效,也有諸多創新。”

  探測器是各種同步輻射實驗的核心設備,李明告訴記者,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品水平。

  按照計劃,高能光源將在2025年底建成並投入使用。首期建設的14條公共光束線站,將向工程材料、能源環境等領域的用戶開放。接下來,隨著工程建設的進一步展開,研究團隊也將持續攻克更多的難關。“我們在高能光源的建設中,將最大程度地實現器件的國產化。”董宇輝表示。

(責編:董兆瑞、高星)

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