作者:刘晓莹 来源:科技日报 发布时间:2015/10/16 9:59:56
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上海光源:照亮中国科学未来

航拍上海光源。

上海光源增强器全景。

上海光源实验大厅。

■走近中国大科学工程

修复故宫精细文物、剖析病毒复杂机理、打造高铁高强度外壳……这些看起来不相干的领域,都能借助一道神奇之光完成。这道光来自上海同步辐射光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility,简称上海光源,英文缩写SSRF)。

作为我国迄今为止已建成的规模最大的科学装置,上海光源究竟是什么,为何它能够“万能”地解决这么多问题?科技日报记者来到位于上海张江高科技园区建筑外形好似“鹦鹉螺”的上海光源,一探究竟。

科技之光,洞悉万物纤毫

走进上海光源内部,映入眼帘的是一个硕大的圆形装置,装置外侧分布着一个个用户实验站。“上海光源是我国自主研制的第一台第三代同步辐射装置。”中国科学院上海应用物理研究所所长、上海光源国家科学中心(筹)主任赵振堂研究员告诉记者,“在周长432米的环形加速器中,能量为3.5GeV的电子束以接近光的速度飞行,在拐弯时放射出高强度电磁波。这些电磁波被‘条分缕析’成从远红外到硬X射线等不同波长的、高品质的同步辐射光,传送到实验站的样品上。”

至于同步辐射光到底能干什么,中科院院士沈文庆有过生动阐释:“这些光可以看得到细胞的结构、生物体的结构或者材料的结构等等。比如大家都在医院照过X光吧,它可以把肉眼看不到的人体内部情况看清楚,而同步辐射光和医院的X光还是有很大区别的。它的亮度可以达到我们平时用的X光的上百亿倍,使人们能够在原子和分子尺度上观察物质的微观世界。”

“按研究的不同需求,同步辐射装置的光束线要对这些光进行单色化和聚焦等再加工,提供满足实验要求的高品质光束。”赵振堂说。

实验站上,科学家借助一束束科技之光开始对无尽的微观世界穷纤入微——中科院大连化学物理研究所包信和院士团队借助这里的光探索出天然气直接转化利用的有效方法,被德国巴斯夫集团副总裁穆勒评价为一项“即将改变世界”的新技术,入选2014年“中国十大科技进展新闻”与2014年“中国科学十大进展”;清华大学医学院颜宁教授研究组借助这里的光揭示了葡萄糖转运蛋白工作机理,成为世界上第一个解析出人源葡萄糖转运蛋白GLUT1的三维晶体结构的科学家,该成果被美国科学院院士、膜转运蛋白研究专家罗纳德·魁百克(Ronald Kaback)称作“50年以来的一项重大成就”,入选2014年“中国十大科技进展新闻”;北京大学化学与分子工程学院李彦教授课题组借助这里的光,发现了单壁碳纳米管的手性选择性生长机制,有助于解决单壁碳纳米管的结构可控生长这一困扰学界已久的难题,在碳纳米材料研究领域取得了“世界级成果”;首都医科大学罗述谦教授课题组借助这里的光,在国际范围内首次观察到了大鼠肺泡结构……

“还有许多与老百姓息息相关的研究成果都是在这里完成的。”上海光源国家科学中心(筹)副主任何建华研究员说,“比如H7N9禽流感病毒囊膜蛋白结构就是通过上海光源得到解析,弄清了H7N9感染人的传播机制。我们甚至还可以通过这里的光源看到PM2.5的真实结构,看清一粒稻米中不同营养成分的确切分布。”

事实上,上海光源已被应用到许多研究领域,其性能水平、运行开放和成果产出在国际同类装置中名列前茅。据统计,截至2015年上半年,上海光源首批7条线站共提供了超过18万小时的用户实验机时,支持用户课题约7000个。来自365家高校、科研院所、医院和公司的1818个研究组的约1.2万名用户在这里进行了实验,研究覆盖的学科包括生命科学、凝聚态物理、化学、材料科学、地质考古学、环境和地球科学、高分子科学、医学药学、信息和能源科学等。

“为了保证向用户提供在空间位置上高度稳定的同步辐射光,电子束轨道需要稳定在亚微米量级。”何建华说。他还告诉记者,鹦鹉螺的“螺心”——电子储存环就是同步辐射光源的主体与核心,里面大约有2.2万亿个电子在昼夜不停地高速旋转,“螺心”的性能则直接决定了同步辐射光源性能的优劣。

“上海光源作为一个面向国内外用户开放的国家重大基础科技设施,其首要任务是通过保证稳定运行、提供高品质的同步辐射光,支持用户产出重大成果。我们需要营造高度综合交叉、立体合作交流的科研环境,并建设一支高水平、专业化的运行开放队伍,这是一项非常艰巨的任务,也是上海光源人担负的光荣使命。”赵振堂说。

希望之光,孕育科研新生态

正是上海光源人的精诚合作、持续创新,建成6年多来,首批7条光束线站已帮助用户完成了大量重大和重要研究工作,有近500项成果发表于各专业领域前5%的学术期刊,其中有40余项研究成果发表在《自然》和《科学》杂志上。此外,在重大关键技术攻关、国防建设、紧急卫生事件应急研究、制药与化工等产业研究方面也取得了一系列重要成果。开足马力的上海光源实现了250mA的恒流运行和亚微米的束流稳定性,为用户供光期间开机率超过98%,还曾创下连续供光551.3小时的最新纪录,生物大分子晶体学光束线站已连续两年在解析蛋白质结构数量上位列全球第一……

“作为多学科前沿研究和高新技术开发应用的大型综合平台,上海光源每年都会固定向国内外开放两次课题申请。”中国科学院上海应用物理研究所大科学装置管理部主任范颖告诉科技日报记者,“为了确保对每个课题公平,提高光源的使用效率,还要使事关国计民生的重要课题得到科研保障,上海光源实施了一套‘用户提出申请,用户专家来审批’的制度规范。”

上海光源从用户中遴选一批权威专家,组成涵盖各学科的用户委员会。“现任主任是中国科学院院士包信和,像施一公、丁洪等著名学者均在用户委员会的名单中,由这些权威专家决定项目、给予机时。”范颖说。

赵振堂表示:“让用户专家自己来评审和决定,是目前最可能实现高效、公平和透明的办法之一。”

由于光源的实验机时有限,随着竞争者越来越多,良性的竞争压力也“逼迫”着申请者必须提出更前沿、更创新的科研课题,于是更多重量级的科学研究向上海光源汇聚。中国科学技术大学李良彬教授多次借助上海光源从事高分子材料研究。作为光源最早的用户之一,他认为这一做法使上海光源获得了很高的使用效率,“因为机时得来不易,大家都尽可能充分利用”。

除此之外,上海光源在设计机时分配制度时,特地留出了一部分机时用于奖励那些取得杰出成果的科学家。“如用户的成果刊登在《自然》或《科学》等顶级学术期刊上,可获得额外的机时奖励。”范颖说,“这样做的目的就是在公平之余兼顾效率,提高光源解决重大科学问题的能力和提升成果产出率。”

她还告诉记者,上海光源为一些重点课题以及紧急课题还预留了机时。“比如重大疫情发生时,相关的研究可以紧急进站;再比如已经做出重大成果、临时补充一些实验数据的课题,只要理由充分并通过专家评审,我们也为他们提供机时保障”。

目前,进入上海光源的实验项目超过90%都是免费的,还有一小部分企业的实验实行象征性的收费制,“上海光源这个由国家建设和国家运营的大科学研究平台,其目标就是服务于全体科学家,服务于国家战略。”赵振堂说,“开放、公平、高效的运行经验,还将被不断丰富,为中国同类科研平台的运行管理积累可复制的经验。”

未来,上海即将建设成为有全球影响力的科技创新中心,而作为科技创新中心里的“大块头”,上海光源正通过不断完善运行管理制度,营造公平、透明、开放的科研氛围,孕育出中国科研的新生态。“在这里,我们希望用户科学家可以与更多跨领域的研究人员广泛交流,碰撞出更多跨界的创新灵感。”赵振堂说。

明日之光,照亮中国科学未来

在上海光源建成前,我国很多科学家不得不向国外光源申请机时,不仅差旅费用高、申请周期长,更难以得到足够的机时。自从有了先进的上海光源,大部分科学家就可以就近做以往在国内不能做的研究了。然而尽管眼前的这个巨大的“光工厂”在高效地运转,且目前有13条光束线投入运行,但面对众多领域的科研需求,上海光源的机时仍然严重“供不应求”。“用户课题数量不断增长,实验机时供需矛盾非常突出,目前只能满足现有用户机时需求的四分之一。”

“接下来,我们会进行光源的二期工程建设,预计到2020年底上海光源将拥有近40条光束线站。”负责后续线站建设的上海光源国家科学中心(筹)副主任邰仁忠研究员告诉记者,“上海光源将可提供近百种先进的同步辐射实验方法,每天让数百名不同学科领域的科学家和工程师日以继夜地工作在各自的实验站上,开展物理、化学、生命、材料、环境、地质等学科研究,或进行信息、微电子、化工和制药等高技术开发。”

而就在“鹦鹉螺”的“隔壁”,一个更加振奋人心的装置正在悄然地拔地而起,它就是被誉为第四代先进光源的X射线自由电子激光。中国科学院上海应用物理研究所自由电子激光技术部主任王东研究员告诉科技日报记者:“由于性能方面无可替代的优势,特别是具备超高的亮度、超短的脉冲和极好的相干性,自由电子激光将与同步辐射光源互补,成为一种探索自然奥秘和发展高新技术的最先进的研究平台,使人们从拍分子照片进入拍分子电影的时代,极有助于解决人类面临的最迫切的问题。”

6年前,《自然》杂志以“中国加入世界级同步辐射俱乐部”为题,报道了上海光源的建成;而今即将建成的大型自由电子激光装置配合第三代同步辐射光源,将使我国成为全球仅有的7个拥有这样的大科学装置集群的国家之一。

“利用同步辐射和自由电子激光实验技术开展实验研究所涉及的学科之众多、应用之广泛是其他大科学装置难以比拟的。”赵振堂说,“希望这个‘巨大的X光机’延展出更多新的‘超级显微镜’,照亮和看清更多的未知领域,帮助科学家实现前沿突破,解决关键科技问题,不断产出重大成果。”(原标题:上海光源:知微知彰的神奇之光)

 
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