我国科学的下一件大事高能同步辐射光源

灿烂未来：我国最新式高能同步辐射光源，即第四代同步辐射加快器设备的计算机模仿图片。在2025年末，该光源将建成并向国际敞开。那时，它将具有多达70条束线。

撰文 | Robert P Crease

翻译 | 谷大春

校译 | 宋宇铮

在坐落北京的我国科学院高能物理研讨所（IHEP，以下简称高能所）的入口处，矗立着一座闪闪发光的金属雕塑。从远处看，这尊雕塑就像是一张长有两只螺旋状眼睛的脸——一只眼睛是黑的，另一仅仅白的，而在眼睛的周围则是两缕向两个方向散发着的头发。这尊雕塑好像便是毕加索发明出来的艺术品，只不过不是用画笔，而是用曲折的塑料管。

董宇辉教授是高能所的一名资深研讨员。本年6月，在我拜访高能所时，他给我讲解了这座雕塑的涵义： “这尊雕塑其实是由我国的 ‘阴’ 和 ‘阳’ 符号组成，‘阴’ ‘阳’则表明组成万事万物不可分割的对立面。” 所以，起先被我误认为的 ‘眼睛’ 其实是 ‘阴’ ‘阳’ 符号的首安坐落在一同，而那些发散的头发则是符号的结尾。

董宇辉弥补说，这一造型与北京正负电子对撞机（BEPC）十分符合。北京正负电子对撞机自1988年以来，就一直在高能所运作。他告知我：“当把 ‘阴’ ‘阳’ 结合在一一起，你就能制作出许多东西，比方：电子和正电子，以及其他物质。” 他接着说，这尊雕塑是依据李政道先生提出的一个概念。李政道先生出生于我国，因其在宇称不守恒方面的出色作业与杨振宁（Chen Ning Yang）先生一同共享了1957年的诺贝尔物理学奖。

董宇辉现在是高能所多学科研讨中心的主任，他是一个充满活力的人，并且总是谈笑自若。现在，他又接受了一项新的使命，即担任我国最新式同步加快器——高能同步辐射光源（HEPS）项目的副经理。该光源是我国行将制作的第四个同步加快器，已于本年6月29日正式破土动工。

旋转加快

从本质上来说，同步辐射其实与同步加快器无关。同步辐射是经典电动力学的成果：依据经典电动力学规律，任何带电粒子在加快时都会向外辐射能量。电子在同步加快器的圆形轨迹中运动时也相同遵从这一规律。 “同步辐射” 这个姓名的由来是因为当粒子在圆形加快器中被加快时，捆绑粒子进行圆周运动的磁场强度会随粒子动量的添加而同步增大，两者要在时刻上要坚持同步。

这一现象最早是在20世纪40年代末，由坐落美国纽约斯克内克塔迪市的通用电气（GE）研讨试验室的科学家们初次发现。那时该试验室正在进行一个国际级的加快器和固体物理学研讨项目。其时，那里的一个小型GE同步加快器可巧安装了一个玻璃真空腔，可以让科学家们直接观测到辐射光。自此之后，这类辐射光的姓名上便永久地刻上了同步加快器的字样。

开端，同步辐射是科学家们所厌烦的现象。这是因为，当能量超越某一临界点时，任何注入电子的额定能量都会被迅速地辐射出去。如此一来，同步加快器的辐射光好像约束了电子加快器的尺度，也约束了其功率。可是，在随后的十年里，物理学家们逐步意识到，同步辐射有或许被用作强X射线源和精密可调谐X射线源，然后用于衍射、光谱、成像以及其他用处。

坐落美国加州的斯坦福直线加快器中心（SLAC）和其他当地的试验人员们逐步开端运用那些被高能物理学家们扔掉的电子贮存环，或者是在它们没有被运用时暂时地借用。董宇辉幽默地说： “这些试验人员是像是高能物理学家身上的寄生虫。” 他对同步加快器的前史，以及北京正负离子对撞机都十分了解。可以说，这便是一个 “缺点” 摇身一变，成为了试验东西的事例。

‘阴’ ‘阳’ 交合：这尊雕塑坐落于北京高能物理研讨所的大门外，它寓指加快器让相反的两种粒子，即电子和正电子磕碰在一同。

更新换代

类如斯坦福直线加快器中心的这种机器设备归于第一代同步辐射光源。随后，同步辐射光源的用户们便想要开发归于他们自己的专用机器，期望可以取得比运用高能物理学家制作的高能机器时还要更细的光束。更窄、更聚集的电子束可以发作愈加亮堂的X射线。随后，“亮度” 便成为同步辐射的一个要害参数，它与电子束的强度及其发散办法有关。

在上世纪70年代，布鲁克海文国家试验室的两位加快器物理学家——雷纳特·查斯曼（Renate Chasman）和肯·格林（Ken Green），专门规划了一种磁体阵列，可以最大极限地进步电子束的亮度。第一代加快器，在装备上查斯曼-格林阵列后便晋级成为第二代同步加快器光源。20世纪80年代开端运用的布鲁克海文国家同步加快器光源（NSL SI），以及坐落英国达斯伯里市的同步辐射设备都归于第二代同步辐射光源。

后来，跟着我国在全球科学舞台上不断锋芒毕露，她也巴望参加进来。因而，在1991年我国建成了北京同步辐射设备（BSRF），这是我国首个此类同步辐射光源。北京同步辐射设备运用了一种改进型查斯曼-格林阵列，但其电子源依然是来自于北京正负电子对撞机。董宇辉笑着说，这是一个具有不寻常混合性质的设备， “它是第一代光源，但却具有着和第二代光源相同的参数。”

与全球其他50多个同步加快器比较，北京同步辐射设备虽然现在仍在运转，但其运力早已绰绰有余，尤其是它只需14条束流线。这比坐落法国格勒诺布尔市的欧洲同步辐射设备（European Synchrotron Radiation Facility）要少得多，其具有40多条束流线，而布鲁克海文国家同步辐射光源则具有近80条束流线。但即便如此，现在北京同步辐射设备仍在被高效、积极地运用着。在1995年，董宇辉取得了凝聚态物理的博士学位，而他博士期间的研讨作业正是在这儿展开，那也是这儿展开的第一批试验之一。

第四代光源，是否将成为终究一代？

在20世纪90年代中期，第三代同步加快器光源就现已面世。第三代加快器由一些长而直的部件组成，这些部件用来包容被称为 “摇摆器” 和 “动摇器” 的仪器。从20世纪60年代开端，科学家们就开端研制这种仪器，经过在加快器的直线部分运用一系列磁铁来振动电子束，然后使其宣布更多的辐射光，然后进步同步辐射的亮度。

即北京同步辐射设备之后，我国又先后制作了两个同步加快器。合肥具有一个 “真实的” 第二代同步辐射设备，而上海也具有了一个第三代同步辐射试验室。而正在制作的高能同步辐射光源将成为我国首个第四代同步加快器光源，它也将成为国际上仅有的几个此类设备之一。它将运用更先进的，被称为 “多弯消色差透镜” 的磁铁阵列，然后取得亮度更大的光束。

但是，这些新技能并不是制作第四代加快器面对的悉数应战。董宇辉告知我说，给高能同步辐射光源选址自身便是一件十分困难的作业。规划人员期望可以寻觅到一个挨近北京的地址，这样便能免除试验人员的远程奔走。但是，该类设备又有必要制作在人迹相对稀疏的土地上，并且还得有安稳的岩石根底。在历时四年后，规划人员终究才在北京的东北部，挨近京密引水渠邻近发现了一块适宜的当地。京密引水渠是北京最主要的供水线路，它将密云的饮用水输送到北京。

高能同步辐射光源规划周长为1.3公里，具有60 ~70条束流线和90多个试验站，估计将于2025年末建成。董宇辉介绍说： “我担任一切的束流线，所以我有必要决议需求制作什么样的束流线，每个试验站又将进行何种试验，并且还得将一切这一切控制在预算之内。更重要的是一切这些都要在六年半的时刻里悉数完结！”

从植物到蛋白质

当第四代光源制作完结时，北京同步辐射设备或许将会被封闭。但就现在而言，它的运用依然十分活泼。董宇辉带我四处观赏，并展现了这儿所支撑的各项研讨作业。在我观赏的时分，北京正负电子对撞机正运转在高能物理形式下。事实上，大约75%的时刻它都运转在该形式下。北京同步辐射设备的一些束流线也会在高能物理形式下作业，但因为装备了强屏蔽性的保护罩，这时，咱们依然可以在周围自在行走。

当咱们进入北京同步辐射设备的大楼时，一阵尖锐的警报声响起。这表明同步辐射设备正在进行电子注入，这也意味着此刻一切人将被约束进入注入区域。董宇辉现已在这儿作业了30年，早已习惯了这种喧闹的声响，并未有什么反响。大约一分钟后，谢天谢地，喧闹的警报声停了下来。

北京同步辐射设备的周长为240米，试验站都坐落环外的一个挨近端口的扇区内。虽然只需14个站点，但该设备均匀每年却要支撑1800至2000名用户，他们简直悉数来自我国。在这儿，有一堆堆用铝箔掩盖的管道和设备，还有一个个张贴着描绘线站研讨作业海报的橱窗栏。

“这个是X射线吸收精密结构（XFAS），” 董宇辉边走边介绍说，“那个是X射线衍射，那儿是X射线荧光。和其他同步加快器相同，多年来，这儿的用户集体也在不断的发作着改变。他说，起先大多数用户都是凝聚态物理学家。后来，蛋白质晶体学家们也开端对同步辐射发作了爱好，他们逐步意识到同步加快器发射出的X射线关于处理蛋白质结构问题十分有价值，当然条件是他们要有足够多的样原本放入光束中。

蛋白质晶体学和其他一些生命科学中的运用大大增多了在光源展开研讨作业的生物学家们。但是，就在几年前，测定蛋白质结构问题的办法逐步被冷冻电镜技能（Cryo-EM）所替代。冷冻电镜技能运用独立的设备，不需求太多的样本就可以处理蛋白质结构问题，这彻底优于同步辐射技能。冷冻电镜技能的展开在必定程度上减慢了蛋白质晶体学家在同步加快器用户群中扩增的速度。

随后，我和董宇辉在X射线荧光研讨站停了下来。那里张贴了一张海报，上面出现着该站研讨的三种不同植物的相片。董宇辉解说说，这张海报展现了其间一种植物对铬的吸收状况。 “在这个线站，他们正在研讨环境污染问题。这种植物来自我国南方的一个铬污染严峻的区域，研讨人员正在测验运用某些真菌从土壤中汲取残留的铬。”

这另一张海报则是关于一株水稻。董宇辉解说道：“这株水稻来自贵州省，大约在3000年前的汉代，那里就存在着一个水银矿。咱们之所以能推算出3000年前的状况，是因为可以从水稻中将其投射出来出来！虽然对水银的挖掘早就中止，但污染的程度依然很严峻。研讨人员运用北京同步辐射设备的技能，来寻觅下降水稻中汞毒性的办法，尤其是探究硒元素在其间的效果。

他持续解说说：“硒可以与汞结合，将其沉积在谷物的外表。然后经过机器抛光谷物的外表，然后除掉这些颗粒。在这个线站，他们正在精确地定位汞与硒结合的具体位置。” 虽然这种谷物不会供人类或动物食用，但却可以用来出产工业酒精。董又说道：“要知道，在人口密布的区域，咱们有必要充分运用每一块犁地。”

和国际上的其他光源相同，北京同步辐射设备一起为学术和工业用户服务。工业界用户也可以免费运用这些设备，只需他们揭露宣布其研讨成果；反之，假如工业用户挑选不揭露其研讨成果，就有必要付出悉数费用。但从在同步辐射线站上展开研讨作业的制药公司来看，中、西方对光源的运用仍是存在着某些差异的。

在西方，例如像诺华（Novartis）、默克（Merck）和辉瑞（Pfizer）等公司，它们规划巨大、实力雄厚，足以自始至终研制出一种新式药物。董宇辉说，药物开发最贵重的部分便是临床试验， “这些大公司会在同步辐射设备上制作束流线，并有着与机器供货商相互协作的经历。而在我国，咱们没有这么赋有的公司。这儿的公司只能承担起一些 ‘廉价’ 的研讨，比方解出一个结构，并去查验它怎么与其他分子发作相互效果。他们很想秘密地进行测验——有时分他们乃至不会告知咱们测验的是哪一种蛋白质。这就使得协作变得愈加困难。”

转折点

董宇辉从前告知过我，在这儿，他逐步开端厌恶了那些官样文章般的流程：“用户来了，用户又走了，研讨变得越来越杂乱，研讨人员不知道机器的细节，操作员不得不协助他们。因而你不得不很少去留意机器自身，而是更多地去重视用户的需求。” 别的，董还对同步辐射源技能发展的缓慢感到绝望，他说：“在本世纪，同步辐射技能简直没有任何立异。”

在董宇辉看来，因为遭到光束光斑和聚集巨细的约束，同步加快器好像正在挨近光学或许施加的亮度极限。在几年前，他就从前说过，第四代同步加快器光源乃至被公认为 “终极存储环”。就高能同步辐射光源，他们将树立专门的研讨中心，用以衔接研讨团队和机器的运转者，加强彼此之间的协作。董宇辉还提到了一些关于这些设备的新主意，比方康奈尔大学的研讨人员提出的一种能量收回直线加快器设备。期望这些立异可以协助同步加快器在之后的几十年里赢得一个愈加灿烂的未来。

原文链接：https://physicsworld.com/a/chinas-next-big-thing-a-new-fourth-generation-synchrotron-facility-in-beijing/