上海“神灯”初照

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耗资12亿元、历时52个月建成的上海同步辐射光源近日启动,它所提供的高能X射线亮度达到普通X光机的上亿倍,将成为新一代探索微观世界的“神灯”

《财经》记者 于达维

从一只蚂蚱栩栩如生的骨骼和内脏,一颗完整核桃的内部断层CT扫描,到一种控制癌细胞表达的特殊蛋白结构,乃至一种特殊晶体的生长过程,这些利用常规技术手段难以企及的细节,在上海光源的照射下都一览无余。

2009年4月29日下午4点,上海,国务委员刘延东、上海市委书记俞正声、中国科学院院长路甬祥、中国工程院院长徐匡迪,共同启动了建国以来最大规模的大科学工程――上海光源的竣工装置。

作为耗资12亿元、建设历时52个月的大科学装置,上海同步辐射光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility,下称上海光源)能够提供的高能X射线亮度,达到普通X光机的上亿倍,将为中国生命科学、材料科学、环境科学、石油化工等几乎所有现代科学领域对微观世界的研究,提供前所未有的工具。

正是因为同步辐射光源具有洞悉微观世界的超强实力,它被称为继光学显微镜、电子显微镜和扫描隧道电子显微镜后,新一代的探索微观世界的“神灯”。

第三代同步辐射

所谓同步辐射,是指在磁场中沿曲线轨道高速运动的带电粒子,沿轨道切线方向抛出的电磁辐射。

1947年4月16日,同步辐射光在美国通用电气公司的同步加速器被发现。中科院院士杨福家对《财经》记者说,第一代同步辐射光源,是人们在同步辐射加速器上偶然发现的,因此叫做同步辐射光。但这种同步辐射光很难被利用,于是人们就开发了第二代能量较小的同步辐射光源。

在中国,北京光源(BSR)就是寄生于北京正负电子对撞机(BEPC)的典型第一代同步辐射光源;合肥国家同步辐射实验室(HLS)则做出了基于同步辐射专用储存环的第二代同步辐射光源。

随着人类探索微观世界越来越深入,需要亮度更高、性能更优越的同步辐射光源。科学家通过在同步辐射加速器上安装特殊设计的插入件,得到亮度增加上万倍的同步辐射光。这就是第三代同步辐射光源。它好比一双眼睛――研发工作中有许多精细之处需要靠这双“眼睛”来发现。

1995年,谢希德、杨福家、奚同庚、蒋锡夔、王志勤等上海市政协科技委员会委员,联名在当年的政协会议上提交了“关于上海建造第三代同步辐射光源”提案。当时在国际上已经有50多台同步辐射光源,在国内只有北京与合肥的第一代、第二代同步光源,第三代同步辐射光源还是空白。

经过近十年的酝酿,上海光源于2004年12月25日开工,由中国科学院上海应用物理研究所承建。其建筑安装工程和公用设施工程于2006年底完成;直线加速器于2007年6月完成调束并达到性能指标;储存环调束于2007年12月24日成功实现了束流储存并出光。

如今,15年前出自时任中科院院长周光召笔下的一张螺旋状草图在上海张江得以实现:一座占地约20万平方米的巨大“鹦鹉螺”状建筑内,容纳了周长432米的电子储存环和40米的1.5亿电子伏特电子直线加速器,以及周长180米、能在半秒内把电子束能量从1.5亿电子伏特提升到35亿电子伏特的全能量增强器。

目前,全球建成和在建的同步辐射光源装置共有60余座,其中第三代同步辐射装置有13台。上海光源属于世界上性能最好的第三代中能同步辐射光源之一,能量居世界第四。它所能提供的X射线强度是X光机的上万倍,耀度是最强X光机的上亿倍。

中国科学院高能物理所学术委员会主任、上海光源工程总顾问陈森玉院士如此评价:“没有这个手段,几乎跟盲人一样。”

中国科学院上海硅酸盐所研究员奚同庚告诉《财经》记者,由于上海光源可以让几乎所有的高科技研发获得帮助,对上海的产业升级具有巨大的集聚作用,他们的提案与“开发浦东”和“开发洋山深水港”共同被评为建国以来上海最重要的三个政协提案。

探秘上海光源内核

4月29日下午,《财经》记者在上海应用物理所副所长赵振堂的带领下,进入上海光源内部。

赵振堂介绍说,其主体结构分为三部分:外圈为432米周长的一个大环――电子储存环;与之相切的内圈,是一个180米周长的小环―――增强器;小环还连着一根40米长的直线电子加速器。电子束将由加速器射出、由增强器加速、在储存环中以接近光速往复运动。

赵振堂带着大家进入电子储存环的20个储存单元中的一个。弧形的工作台上,一条纤细的真空不锈钢导管被密密麻麻的导线和磁铁包围。电子束就是在这个导管中,在磁铁的偏转作用下,进行圆周运动。

“这是去年我们自己做的。”指着一个半米见方的黑匣子,赵振堂告诉记者,这就是对第三代同步辐射光源很重要的设备――插入件,也叫波荡器,它内部是大量的小磁铁阵列,电子束在通过这里的时候会发生剧烈的摆动,每次摆动释放的同步辐射光叠加起来可以产生亮度非常高的同步辐射,是解析蛋白结构所必需的。

在储存环的切线方向上,连接着接收、处理同步辐射光的光束线站。目前这里有包括生物大分子晶体学线站、硬X射线微聚焦及应用线站、X射线成像与生物医学应用光束线站等七条光束线站,根据用户不同的需要,各个线站利用不同波长的同步辐射光对样品进行观测。根据计划,到2020年这里的光束线站将扩展到50余个,并有上百个实验站,可以同时容纳几百名科研人员做实验。

“到时候大厅这里就没这么空了。”赵振堂说。

目前,上海光源可以提供从远红外线到硬X射线范围内不同波长的同步辐射光。按用户要求,同步辐射光在光束线上被再加工,如分光、准直、聚焦,然后照射到实验站的样品上。同时实验站上的科学仪器纪录下实验样品的各种反应信息或变化,经高速计算机处理后变成一系列曲线或图像。

在其中一座光束线站上,《财经》记者看到了利用同步辐射光为一只活体蚂蚱拍摄的动态X光录像。蚂蚱的骨骼、内脏都一览无余,甚至触角里面的微细管也随着蚂蚱的呼吸而起伏。

“在普通X光下,骨头和肉是分得开的,但肉跟神经、肉跟皮是分不开的。到了这里就看得清清楚楚。”上海光源工程经理部总工程师刘德康说,这对于癌症的早期诊断很有帮助。

演示者还对《财经》记者展示了一个直径10微米的钨丝结构的特写,一个完整核桃的断层CT扫描,以及一个已经分裂为四个细胞的来自10亿年前寒武纪的古生物胚胎化石的三维图像。

广泛受益

在上海光源4月29日的竣工典礼上,科技部副部长曹建林说,上海光源的建成,将提高中国综合科技实力,在结构基因组学、纳米科学、环境科学技术、新型催化剂、新药研究等领域,上海光源都将扮演重要的科学中心和科学平台角色。

据介绍,目前同步辐射X射线衍射方法,是现在国际上测定生物大分子结构的最有力手段,以蛋白质结构和功能研究为主要目标的结构基因组学研究80%以上的工作需要在第三代同步辐射光源上进行。

利用高亮度同步辐射光束,还可以揭示材料中原子的精确构造,得到有价值的电磁结构参数等信息。它们既是理解材料性能的钥匙,也隐含着发明新颖材料的原理来源。

同步辐射X射线谱学技术作为主要分析手段,能在分子水平上描述环境污染物的形态,研究污染物的迁移和转化的复杂化学过程,从而评估污染风险和确定污染治理方案。

此外,如石油化工中催化剂的机理特性分析、超大规模集成电路中硅晶片中的痕量杂质探测分析、飞机发动机和航天器的疲劳测试、纸浆无氯漂白工艺改进、化妆品效果分析乃至新口味凝胶食品的开发等,都要用到同步辐射光。

随着业界对集成电路的集成度要求越来越高,科学界估计,对线度在几十纳米及以下的集成电路,第三代同步辐射光刻技术有可能将成为主要的光刻手段。

据专家介绍,由于世界各大石油公司均已在同步辐射光源上建有专用的光束线站,假如没有高性能的第三代同步辐射光源先进技术的支持,中国企业将面临十分被动的局面。因为一种催化剂的成败,会导致进口货和国产品每年的销售差价超过10亿元。

上海应用物理研究所所长徐洪杰透露,中石化就有意向在这里出资建立多条专用的光束线站,涉及的投资需要几亿元。此外,制药巨头葛兰素史克也希望在这里大量购买机时。

专程来参加竣工典礼的斯坦福大学同步辐射实验室副主任赫尔曼・维尼克(Herman Winick)告诉《财经》记者,X射线是了解所有材料的结构、性能、电磁特性最好的工具。现在中国建成了世界上最好的同步辐射光源之一,完全可以帮助其他国家建造他们的光源,也可以邀请其他国家的科学家来这里做实验。

上海光源竣工后,将面临来自全国乃至世界各地的实验申请。徐洪杰透露,目前已收到全国78个研究机构的301份使用申请,共计2868个机时段23000个小时,是现在上海光源所能提供机时的3倍多。

“随着上海光源对外开放,以后将有更多看点。在这个大平台上进行的多种实验,每一个都可能给我们带来惊喜。”杨福家院士说。■