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2009-12-31 00:00:00于達維
財經(jīng) 2009年10期
耗資12億元、歷時52個月建成的上海同步輻射光源近日啟動，它所提供的高能X射線亮度達到普通X光機的上億倍，將成為新一代探索微觀世界的“神燈”
《財經(jīng)》記者 于達維
從一只螞蚱栩栩如生的骨骼和內(nèi)臟，一顆完整核桃的內(nèi)部斷層CT掃描，到一種控制癌細胞表達的特殊蛋白結(jié)構(gòu)，乃至一種特殊晶體的生長過程，這些利用常規(guī)技術(shù)手段難以企及的細節(jié)，在上海光源的照射下都一覽無余。
2009年4月29日下午4點，上海，國務委員劉延東、上海市委書記俞正聲、中國科學院院長路甬祥、中國工程院院長徐匡迪，共同啟動了建國以來最大規(guī)模的大科學工程——上海光源的竣工裝置。
作為耗資12億元、建設歷時52個月的大科學裝置，上海同步輻射光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility，下稱上海光源)能夠提供的高能X射線亮度，達到普通X光機的上億倍，將為中國生命科學、材料科學、環(huán)境科學、石油化工等幾乎所有現(xiàn)代科學領(lǐng)域?qū)ξ⒂^世界的研究，提供前所未有的工具。
正是因為同步輻射光源具有洞悉微觀世界的超強實力，它被稱為繼光學顯微鏡、電子顯微鏡和掃描隧道電子顯微鏡后，新一代的探索微觀世界的“神燈”。
第三代同步輻射
所謂同步輻射，是指在磁場中沿曲線軌道高速運動的帶電粒子，沿軌道切線方向拋出的電磁輻射。
1947年4月16日，同步輻射光在美國通用電氣公司的同步加速器被發(fā)現(xiàn)。中科院院士楊福家對《財經(jīng)》記者說，第一代同步輻射光源，是人們在同步輻射加速器上偶然發(fā)現(xiàn)的，因此叫做同步輻射光。但這種同步輻射光很難被利用，于是人們就開發(fā)了第二代能量較小的同步輻射光源。
在中國，北京光源(BSR)就是寄生于北京正負電子對撞機(BEPC)的典型第一代同步輻射光源;合肥國家同步輻射實驗室(HLS)則做出了基于同步輻射專用儲存環(huán)的第二代同步輻射光源。
隨著人類探索微觀世界越來越深入，需要亮度更高、性能更優(yōu)越的同步輻射光源?？茖W家通過在同步輻射加速器上安裝特殊設計的插入件，得到亮度增加上萬倍的同步輻射光。這就是第三代同步輻射光源。它好比一雙眼睛——研發(fā)工作中有許多精細之處需要靠這雙“眼睛”來發(fā)現(xiàn)。
1995年，謝希德、楊福家、奚同庚、蔣錫夔、王志勤等上海市政協(xié)科技委員會委員，聯(lián)名在當年的政協(xié)會議上提交了“關(guān)于上海建造第三代同步輻射光源”提案。當時在國際上已經(jīng)有50多臺同步輻射光源，在國內(nèi)只有北京與合肥的第一代、第二代同步光源，第三代同步輻射光源還是空白。
經(jīng)過近十年的醞釀，上海光源于2004年12月25日開工，由中國科學院上海應用物理研究所承建。其建筑安裝工程和公用設施工程于2006年底完成;直線加速器于2007年6月完成調(diào)束并達到性能指標;儲存環(huán)調(diào)束于2007年12月24日成功實現(xiàn)了束流儲存并出光。
如今，15年前出自時任中科院院長周光召筆下的一張螺旋狀草圖在上海張江得以實現(xiàn):一座占地約20萬平方米的巨大“鸚鵡螺”狀建筑內(nèi)，容納了周長432米的電子儲存環(huán)和40米的1.5億電子伏特電子直線加速器，以及周長180米、能在半秒內(nèi)把電子束能量從1.5億電子伏特提升到35億電子伏特的全能量增強器。
目前，全球建成和在建的同步輻射光源裝置共有60余座，其中第三代同步輻射裝置有13臺。上海光源屬于世界上性能最好的第三代中能同步輻射光源之一，能量居世界第四。它所能提供的X射線強度是X光機的上萬倍，耀度是最強X光機的上億倍。
中國科學院高能物理所學術(shù)委員會主任、上海光源工程總顧問陳森玉院士如此評價:“沒有這個手段，幾乎跟盲人一樣?！?/p>
中國科學院上海硅酸鹽所研究員奚同庚告訴《財經(jīng)》記者，由于上海光源可以讓幾乎所有的高科技研發(fā)獲得幫助，對上海的產(chǎn)業(yè)升級具有巨大的集聚作用，他們的提案與“開發(fā)浦東”和“開發(fā)洋山深水港”共同被評為建國以來上海最重要的三個政協(xié)提案。
探秘上海光源內(nèi)核
4月29日下午，《財經(jīng)》記者在上海應用物理所副所長趙振堂的帶領(lǐng)下，進入上海光源內(nèi)部。
趙振堂介紹說，其主體結(jié)構(gòu)分為三部分:外圈為432米周長的一個大環(huán)——電子儲存環(huán);與之相切的內(nèi)圈，是一個180米周長的小環(huán)———增強器;小環(huán)還連著一根40米長的直線電子加速器。電子束將由加速器射出、由增強器加速、在儲存環(huán)中以接近光速往復運動。
趙振堂帶著大家進入電子儲存環(huán)的20個儲存單元中的一個。弧形的工作臺上，一條纖細的真空不銹鋼導管被密密麻麻的導線和磁鐵包圍。電子束就是在這個導管中，在磁鐵的偏轉(zhuǎn)作用下，進行圓周運動。
“這是去年我們自己做的?！敝钢粋€半米見方的黑匣子，趙振堂告訴記者，這就是對第三代同步輻射光源很重要的設備——插入件，也叫波蕩器，它內(nèi)部是大量的小磁鐵陣列，電子束在通過這里的時候會發(fā)生劇烈的擺動，每次擺動釋放的同步輻射光疊加起來可以產(chǎn)生亮度非常高的同步輻射，是解析蛋白結(jié)構(gòu)所必需的。
在儲存環(huán)的切線方向上，連接著接收、處理同步輻射光的光束線站。目前這里有包括生物大分子晶體學線站、硬X射線微聚焦及應用線站、X射線成像與生物醫(yī)學應用光束線站等七條光束線站，根據(jù)用戶不同的需要，各個線站利用不同波長的同步輻射光對樣品進行觀測。根據(jù)計劃，到2020年這里的光束線站將擴展到50余個，并有上百個實驗站，可以同時容納幾百名科研人員做實驗。
“到時候大廳這里就沒這么空了?！壁w振堂說。
目前，上海光源可以提供從遠紅外線到硬X射線范圍內(nèi)不同波長的同步輻射光。按用戶要求，同步輻射光在光束線上被再加工，如分光、準直、聚焦，然后照射到實驗站的樣品上。同時實驗站上的科學儀器紀錄下實驗樣品的各種反應信息或變化，經(jīng)高速計算機處理后變成一系列曲線或圖像。
在其中一座光束線站上，《財經(jīng)》記者看到了利用同步輻射光為一只活體螞蚱拍攝的動態(tài)X光錄像。螞蚱的骨骼、內(nèi)臟都一覽無余，甚至觸角里面的微細管也隨著螞蚱的呼吸而起伏。
“在普通X光下，骨頭和肉是分得開的，但肉跟神經(jīng)、肉跟皮是分不開的。到了這里就看得清清楚楚?！鄙虾９庠垂こ探?jīng)理部總工程師劉德康說，這對于癌癥的早期診斷很有幫助。
演示者還對《財經(jīng)》記者展示了一個直徑10微米的鎢絲結(jié)構(gòu)的特寫，一個完整核桃的斷層CT掃描，以及一個已經(jīng)分裂為四個細胞的來自10億年前寒武紀的古生物胚胎化石的三維圖像。
廣泛受益
在上海光源4月29日的竣工典禮上，科技部副部長曹建林說，上海光源的建成，將提高中國綜合科技實力，在結(jié)構(gòu)基因組學、納米科學、環(huán)境科學技術(shù)、新型催化劑、新藥研究等領(lǐng)域，上海光源都將扮演重要的科學中心和科學平臺角色。
據(jù)介紹，目前同步輻射X射線衍射方法，是現(xiàn)在國際上測定生物大分子結(jié)構(gòu)的最有力手段，以蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能研究為主要目標的結(jié)構(gòu)基因組學研究80%以上的工作需要在第三代同步輻射光源上進行。
利用高亮度同步輻射光束，還可以揭示材料中原子的精確構(gòu)造，得到有價值的電磁結(jié)構(gòu)參數(shù)等信息。它們既是理解材料性能的鑰匙，也隱含著發(fā)明新穎材料的原理來源。
同步輻射X射線譜學技術(shù)作為主要分析手段，能在分子水平上描述環(huán)境污染物的形態(tài)，研究污染物的遷移和轉(zhuǎn)化的復雜化學過程，從而評估污染風險和確定污染治理方案。
此外，如石油化工中催化劑的機理特性分析、超大規(guī)模集成電路中硅晶片中的痕量雜質(zhì)探測分析、飛機發(fā)動機和航天器的疲勞測試、紙漿無氯漂白工藝改進、化妝品效果分析乃至新口味凝膠食品的開發(fā)等，都要用到同步輻射光。
隨著業(yè)界對集成電路的集成度要求越來越高，科學界估計，對線度在幾十納米及以下的集成電路，第三代同步輻射光刻技術(shù)有可能將成為主要的光刻手段。
據(jù)專家介紹，由于世界各大石油公司均已在同步輻射光源上建有專用的光束線站，假如沒有高性能的第三代同步輻射光源先進技術(shù)的支持，中國企業(yè)將面臨十分被動的局面。因為一種催化劑的成敗，會導致進口貨和國產(chǎn)品每年的銷售差價超過10億元。
上海應用物理研究所所長徐洪杰透露，中石化就有意向在這里出資建立多條專用的光束線站，涉及的投資需要幾億元。此外，制藥巨頭葛蘭素史克也希望在這里大量購買機時。
專程來參加竣工典禮的斯坦福大學同步輻射實驗室副主任赫爾曼·維尼克(Herman Winick)告訴《財經(jīng)》記者，X射線是了解所有材料的結(jié)構(gòu)、性能、電磁特性最好的工具?，F(xiàn)在中國建成了世界上最好的同步輻射光源之一，完全可以幫助其他國家建造他們的光源，也可以邀請其他國家的科學家來這里做實驗。
上海光源竣工后，將面臨來自全國乃至世界各地的實驗申請。徐洪杰透露，目前已收到全國78個研究機構(gòu)的301份使用申請，共計2868個機時段23000個小時，是現(xiàn)在上海光源所能提供機時的3倍多。
“隨著上海光源對外開放，以后將有更多看點。在這個大平臺上進行的多種實驗，每一個都可能給我們帶來驚喜?！睏罡＜以菏空f?！?/p>
耗資12億元、歷時52個月建成的上海同步輻射光源近日啟動，它所提供的高能X射線亮度達到普通X光機的上億倍，將成為新一代探索微觀世界的“神燈”
《財經(jīng)》記者 于達維
從一只螞蚱栩栩如生的骨骼和內(nèi)臟，一顆完整核桃的內(nèi)部斷層CT掃描，到一種控制癌細胞表達的特殊蛋白結(jié)構(gòu)，乃至一種特殊晶體的生長過程，這些利用常規(guī)技術(shù)手段難以企及的細節(jié)，在上海光源的照射下都一覽無余。
2009年4月29日下午4點，上海，國務委員劉延東、上海市委書記俞正聲、中國科學院院長路甬祥、中國工程院院長徐匡迪，共同啟動了建國以來最大規(guī)模的大科學工程——上海光源的竣工裝置。
作為耗資12億元、建設歷時52個月的大科學裝置，上海同步輻射光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility，下稱上海光源)能夠提供的高能X射線亮度，達到普通X光機的上億倍，將為中國生命科學、材料科學、環(huán)境科學、石油化工等幾乎所有現(xiàn)代科學領(lǐng)域?qū)ξ⒂^世界的研究，提供前所未有的工具。
正是因為同步輻射光源具有洞悉微觀世界的超強實力，它被稱為繼光學顯微鏡、電子顯微鏡和掃描隧道電子顯微鏡后，新一代的探索微觀世界的“神燈”。
第三代同步輻射
所謂同步輻射，是指在磁場中沿曲線軌道高速運動的帶電粒子，沿軌道切線方向拋出的電磁輻射。
1947年4月16日，同步輻射光在美國通用電氣公司的同步加速器被發(fā)現(xiàn)。中科院院士楊福家對《財經(jīng)》記者說，第一代同步輻射光源，是人們在同步輻射加速器上偶然發(fā)現(xiàn)的，因此叫做同步輻射光。但這種同步輻射光很難被利用，于是人們就開發(fā)了第二代能量較小的同步輻射光源。
在中國，北京光源(BSR)就是寄生于北京正負電子對撞機(BEPC)的典型第一代同步輻射光源;合肥國家同步輻射實驗室(HLS)則做出了基于同步輻射專用儲存環(huán)的第二代同步輻射光源。
隨著人類探索微觀世界越來越深入，需要亮度更高、性能更優(yōu)越的同步輻射光源?？茖W家通過在同步輻射加速器上安裝特殊設計的插入件，得到亮度增加上萬倍的同步輻射光。這就是第三代同步輻射光源。它好比一雙眼睛——研發(fā)工作中有許多精細之處需要靠這雙“眼睛”來發(fā)現(xiàn)。
1995年，謝希德、楊福家、奚同庚、蔣錫夔、王志勤等上海市政協(xié)科技委員會委員，聯(lián)名在當年的政協(xié)會議上提交了“關(guān)于上海建造第三代同步輻射光源”提案。當時在國際上已經(jīng)有50多臺同步輻射光源，在國內(nèi)只有北京與合肥的第一代、第二代同步光源，第三代同步輻射光源還是空白。
經(jīng)過近十年的醞釀，上海光源于2004年12月25日開工，由中國科學院上海應用物理研究所承建。其建筑安裝工程和公用設施工程于2006年底完成;直線加速器于2007年6月完成調(diào)束并達到性能指標;儲存環(huán)調(diào)束于2007年12月24日成功實現(xiàn)了束流儲存并出光。
如今，15年前出自時任中科院院長周光召筆下的一張螺旋狀草圖在上海張江得以實現(xiàn):一座占地約20萬平方米的巨大“鸚鵡螺”狀建筑內(nèi)，容納了周長432米的電子儲存環(huán)和40米的1.5億電子伏特電子直線加速器，以及周長180米、能在半秒內(nèi)把電子束能量從1.5億電子伏特提升到35億電子伏特的全能量增強器。
目前，全球建成和在建的同步輻射光源裝置共有60余座，其中第三代同步輻射裝置有13臺。上海光源屬于世界上性能最好的第三代中能同步輻射光源之一，能量居世界第四。它所能提供的X射線強度是X光機的上萬倍，耀度是最強X光機的上億倍。
中國科學院高能物理所學術(shù)委員會主任、上海光源工程總顧問陳森玉院士如此評價:“沒有這個手段，幾乎跟盲人一樣?！?/p>
中國科學院上海硅酸鹽所研究員奚同庚告訴《財經(jīng)》記者，由于上海光源可以讓幾乎所有的高科技研發(fā)獲得幫助，對上海的產(chǎn)業(yè)升級具有巨大的集聚作用，他們的提案與“開發(fā)浦東”和“開發(fā)洋山深水港”共同被評為建國以來上海最重要的三個政協(xié)提案。
探秘上海光源內(nèi)核
4月29日下午，《財經(jīng)》記者在上海應用物理所副所長趙振堂的帶領(lǐng)下，進入上海光源內(nèi)部。
趙振堂介紹說，其主體結(jié)構(gòu)分為三部分:外圈為432米周長的一個大環(huán)——電子儲存環(huán);與之相切的內(nèi)圈，是一個180米周長的小環(huán)———增強器;小環(huán)還連著一根40米長的直線電子加速器。電子束將由加速器射出、由增強器加速、在儲存環(huán)中以接近光速往復運動。
趙振堂帶著大家進入電子儲存環(huán)的20個儲存單元中的一個。弧形的工作臺上，一條纖細的真空不銹鋼導管被密密麻麻的導線和磁鐵包圍。電子束就是在這個導管中，在磁鐵的偏轉(zhuǎn)作用下，進行圓周運動。
“這是去年我們自己做的?！敝钢粋€半米見方的黑匣子，趙振堂告訴記者，這就是對第三代同步輻射光源很重要的設備——插入件，也叫波蕩器，它內(nèi)部是大量的小磁鐵陣列，電子束在通過這里的時候會發(fā)生劇烈的擺動，每次擺動釋放的同步輻射光疊加起來可以產(chǎn)生亮度非常高的同步輻射，是解析蛋白結(jié)構(gòu)所必需的。
在儲存環(huán)的切線方向上，連接著接收、處理同步輻射光的光束線站。目前這里有包括生物大分子晶體學線站、硬X射線微聚焦及應用線站、X射線成像與生物醫(yī)學應用光束線站等七條光束線站，根據(jù)用戶不同的需要，各個線站利用不同波長的同步輻射光對樣品進行觀測。根據(jù)計劃，到2020年這里的光束線站將擴展到50余個，并有上百個實驗站，可以同時容納幾百名科研人員做實驗。
“到時候大廳這里就沒這么空了?！壁w振堂說。
目前，上海光源可以提供從遠紅外線到硬X射線范圍內(nèi)不同波長的同步輻射光。按用戶要求，同步輻射光在光束線上被再加工，如分光、準直、聚焦，然后照射到實驗站的樣品上。同時實驗站上的科學儀器紀錄下實驗樣品的各種反應信息或變化，經(jīng)高速計算機處理后變成一系列曲線或圖像。
在其中一座光束線站上，《財經(jīng)》記者看到了利用同步輻射光為一只活體螞蚱拍攝的動態(tài)X光錄像。螞蚱的骨骼、內(nèi)臟都一覽無余，甚至觸角里面的微細管也隨著螞蚱的呼吸而起伏。
“在普通X光下，骨頭和肉是分得開的，但肉跟神經(jīng)、肉跟皮是分不開的。到了這里就看得清清楚楚?！鄙虾９庠垂こ探?jīng)理部總工程師劉德康說，這對于癌癥的早期診斷很有幫助。
演示者還對《財經(jīng)》記者展示了一個直徑10微米的鎢絲結(jié)構(gòu)的特寫，一個完整核桃的斷層CT掃描，以及一個已經(jīng)分裂為四個細胞的來自10億年前寒武紀的古生物胚胎化石的三維圖像。
廣泛受益
在上海光源4月29日的竣工典禮上，科技部副部長曹建林說，上海光源的建成，將提高中國綜合科技實力，在結(jié)構(gòu)基因組學、納米科學、環(huán)境科學技術(shù)、新型催化劑、新藥研究等領(lǐng)域，上海光源都將扮演重要的科學中心和科學平臺角色。
據(jù)介紹，目前同步輻射X射線衍射方法，是現(xiàn)在國際上測定生物大分子結(jié)構(gòu)的最有力手段，以蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能研究為主要目標的結(jié)構(gòu)基因組學研究80%以上的工作需要在第三代同步輻射光源上進行。
利用高亮度同步輻射光束，還可以揭示材料中原子的精確構(gòu)造，得到有價值的電磁結(jié)構(gòu)參數(shù)等信息。它們既是理解材料性能的鑰匙，也隱含著發(fā)明新穎材料的原理來源。
同步輻射X射線譜學技術(shù)作為主要分析手段，能在分子水平上描述環(huán)境污染物的形態(tài)，研究污染物的遷移和轉(zhuǎn)化的復雜化學過程，從而評估污染風險和確定污染治理方案。
此外，如石油化工中催化劑的機理特性分析、超大規(guī)模集成電路中硅晶片中的痕量雜質(zhì)探測分析、飛機發(fā)動機和航天器的疲勞測試、紙漿無氯漂白工藝改進、化妝品效果分析乃至新口味凝膠食品的開發(fā)等，都要用到同步輻射光。
隨著業(yè)界對集成電路的集成度要求越來越高，科學界估計，對線度在幾十納米及以下的集成電路，第三代同步輻射光刻技術(shù)有可能將成為主要的光刻手段。
據(jù)專家介紹，由于世界各大石油公司均已在同步輻射光源上建有專用的光束線站，假如沒有高性能的第三代同步輻射光源先進技術(shù)的支持，中國企業(yè)將面臨十分被動的局面。因為一種催化劑的成敗，會導致進口貨和國產(chǎn)品每年的銷售差價超過10億元。
上海應用物理研究所所長徐洪杰透露，中石化就有意向在這里出資建立多條專用的光束線站，涉及的投資需要幾億元。此外，制藥巨頭葛蘭素史克也希望在這里大量購買機時。
專程來參加竣工典禮的斯坦福大學同步輻射實驗室副主任赫爾曼·維尼克(Herman Winick)告訴《財經(jīng)》記者，X射線是了解所有材料的結(jié)構(gòu)、性能、電磁特性最好的工具?，F(xiàn)在中國建成了世界上最好的同步輻射光源之一，完全可以幫助其他國家建造他們的光源，也可以邀請其他國家的科學家來這里做實驗。
上海光源竣工后，將面臨來自全國乃至世界各地的實驗申請。徐洪杰透露，目前已收到全國78個研究機構(gòu)的301份使用申請，共計2868個機時段23000個小時，是現(xiàn)在上海光源所能提供機時的3倍多。
“隨著上海光源對外開放，以后將有更多看點。在這個大平臺上進行的多種實驗，每一個都可能給我們帶來驚喜?！睏罡＜以菏空f?！?/p>
