上海同步輻射光源: 十二年光輝熠熠,大裝置衍射小世界

上海同步輻射光源: 十二年光輝熠熠,大裝置衍射小世界 

 來源:科技日報 作者:侯树文 科技日报记者 王春 

 

視覺中國供圖 

掃一掃  探秘占地300畝的 “超級顯微鏡

  編者按:在黨的堅強領導下,我國科技事業栉風沐雨、砥砺前行,取得了舉世矚目的成就。“嫦娥”“北鬥”等“國之重器”紛紛亮相;量子信息、移動通信等前沿領域實現重大突破;雜交水稻、高速鐵路等高新技術惠及社會民生改善……諸多領域湧現出標志性原創成果,科技與經濟社會深度融合,支撐引領高質量發展。在中國共産黨迎來百年華誕之際,本報推出“奮鬥百年路啓航新征程·大國重器”系列專版,回顧一代代科技工作者艱苦奮進、勇攀高峰的創新故事,展現科技領域取得的標志性成就和寶貴經驗。從新的曆史起點再出發,我國科技事業定能乘勢而上,書寫更加恢弘的科技自立自強新篇章。 

  坐落于上海張江科學城,外形酷似鹦鹉螺的上海同步輻射光源(以下簡稱上海光源),曆時11年預研優化、5年技術攻關建造,如今已穩定高效運行了12年。 

  從億年前的琥珀古鳥羽毛結構,到埃博拉病毒入侵機制、新冠病毒蛋白質結構,再到外爾費米子世界重大物理實驗發現,上海光源爲科學家探索微觀世界照亮前行之路。12年來,上海光源不僅支撐産出了大批學科前沿研究成果,而且在國家戰略需求與重大應用方面發揮著越來越重要的作用。 

  作爲我國第三代同步輻射光源,上海光源的建設以及穩定運行凝聚了幾代科學家對我國粒子加速器建設跻身世界先進行列的夢想,體現了我國基礎科研領域面向世界科技前沿、面向經濟主戰場、面向國家重大需求、面向人民生命健康的重要曆史使命。 

  艱難起步,我國粒子加速器從跟隨到趕超 

  上世紀80年代,北京正負電子對撞機、合肥同步輻射裝置、蘭州重離子加速器工程的建設奠定了我國建造大型粒子加速器的基礎。1993年,世界上第一台第三代同步輻射光源開始用戶實驗。 

  方守賢、丁大钊和冼鼎昌三位院士敏銳地意識到光源大科學裝置在未來國家基礎科研中即將發揮的重要作用,于199311月向國家提出“在我國建設第三代同步輻射光源”的建議。19953月,中國科學院和上海市决定共同向国家建议,由国家和地方联合出资在上海建设我国第三代同步辐射光源。 

  作爲國之重器,大科學裝置耗資不菲,而且難以在短時間內看到實際經濟效益。在上海光源項目預研階段,國家層面的決策也十分慎重。2001年,團隊成員完成了預制研究,上海光源項目卻沒有成功立項。 

  此时,国际上第三代同步辐射装置处于快速发展阶段。“我们充分利用这段时间,将世界上加速器、光束线等领域新发展的先进技术和设计思想及时融入优化设计方案。到了真正建设的时候,上海光源的设计性能得到了新的提升,保证了建成时步入世界先进行列并达到一流水平。”中國科學院上海高等研究院党委书记、副院长,中国工程院院士赵振堂表示。20多年來,他參與了上海光源的預研、建設、開放運行和二期工程建設。 

  “老一輩科學家及中科院、上海政府領導非常堅定,因爲國家的創新發展需要這樣的關鍵大科學裝置,他們鼓勵我們要對未來充滿信心。”趙振堂回憶,他的博士後工作合作導師方守賢院士也多次鼓勵他堅定信心。 

  200411月,國務院常務會議終于批准了上海光源工程建議書,該工程于同年12月正式動工。 

  填補空白,大科學裝置前沿技術集成攻關 

  2001年完成預研,2004年破土動工,2009年開放運行……上海光源工程的不同階段,趙振堂的團隊面臨著不同的難題:最先直面的是在投入和經驗積累都不足的條件下,如何建成一座世界一流水平的同步輻射光源。其次是有了光源後,作爲公共性平台設施,能不能保證國際先進水平的運行性能。 

  在工程預制研究階段,根據國際第三代同步輻射裝置的技術特點,工程指揮部主持研制了41項單元技術,其中22項爲國內首次研制,有26項設備的技術指標達到國際先進水平。隨後,科研人員又開展了物理方案優化和100MeV直線加速器研制等設計和預研工作。 

  據介紹,上海光源由一台150MeV的直線加速器、全能量增強器和一台3.5GeV電子儲存環組成,其中儲存環周長約432米,直徑超過160米。這樣一個大型粒子加速器是集高科技、多專業、多門類的綜合性複雜系統,需要把世界先進技術設備有機結合,這勢必會帶來集成創新難度。 

  “最困難的地方,是要盡可能把先進的設計思想和技術融入設施建設方案中,還要對先進技術方案和性價比方面進行綜合選擇取舍,掌握裝置所需加工周期、材料和制造費用,使其在可控的時間、經費內完成。”趙振堂說。 

  第三代同步輻射光源的特點是光束高亮度,而且光的位置和發射角要高穩定,光斑的抖動要控制在零點幾個微米的水平上,這必須綜合考慮設施的地基、支撐、冷卻水流速、隧道溫度和冷卻水溫度穩定性、環境振源以及周邊交通等各種因素帶來的振動影響。 

  爲保證裝置性能處于世界領先水平,上海光源團隊進行了長期技術攻關探索。例如,不斷進行低發射度的儲存環優化設計,分析研判各種設備性能要達到的技術指標,同時還要進行關鍵核心元器件的技術研發。波蕩器是第三代同步輻射光源及自由電子激光的關鍵設備,束流要通過波蕩器內部交替排列的磁塊才能發出高亮度的光。上海光源建設期間不僅自主研制成功了橢圓極化波蕩器,而且還攻克了真空波蕩器難關,這些工作均填補了國內空白。 

  團隊不斷開展高強度技術攻關,在我國首次研制出一台台滿足第三代同步輻射光源要求的波蕩器、雙橢圓極化波蕩器、特種電子軌迹橢圓極化波蕩器、多種自由電子激光波蕩器等,使得我國加速器光源的波蕩器技術處于國際先進水平。 

  引領未來,凝聚和培養青年科技力量 

  200956日,剛剛竣工的上海光源迎來了第一批用戶,首批用戶包括中科院長春應用化學研究所、上海交通大學、中科院高能物理研究所等單位的近20位用戶。 

  “用戶的問題始終是伴隨上海光源建設運行的最大問題。”令趙振堂難以忘懷的是上海光源運行開放後面臨的三大挑戰:上海光源能否長期穩定可靠運行,運行性能處于什麽水平?是否有足夠的用戶,用戶分布是否合理?可否産出足夠多的成果,成果水平和影響力如何? 

  讓趙振堂和他的團隊深受鼓舞的是,上海光源開放運行一年後,光源用戶第一篇《科學》文章就發表了。開放運行12年後,上海光源用戶在《科學》《自然》《細胞》三大國際頂級刊物上發表的論文達到130篇。 

  如今,上海光源已經成爲科學家聚焦基礎前沿領域、解決重大科學問題的重要支撐,更成爲上海建設具有全球影響力科創中心的一張靓麗名片。上海光源的定位也從自身建設運行、性能提升,轉變爲科學家解決科學問題的科學研究高地。 

  上海光源的穩定高效運行與科研産出,讓人們看到了大科學裝置對科技成果的促進作用。隨著國家對基礎科學原創成果的重視,張江科學城迎來了建造大科學裝置集群的高潮。在上海光源的周圍,上海軟X射線自由電子激光裝置、上海硬X射線自由電子激光裝置等大科學裝置集群形成了具有重要國際影響力的光子科學中心。 

  可喜的是,一批活躍在世界前沿科學領域的青年科學家正在向這裏集聚,上海光源正在成爲凝聚和培養科學家人才的搖籃。 

  目前,上海光源線站工程正在加緊進行,預計到2025年,上海光源將有35條光束線約50個實驗站投入運行。與此同時,世界範圍內同步輻射光源大科學裝置建設依然勢頭不減,第四代同步輻射光源已經開啓。面對新的機遇挑戰,趙振堂表示:“下一個十年將是上海光源黃金運行開放時段,上海光源將持續産出重大成果,培養同步輻射骨幹人才,研究新原理研發新技術,發展新一代同步輻射光源。”