作者:刘晓莹 来源:科技日报 发布时间:2016/5/6 10:48:22
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合肥光源:照亮未知世界的神奇之光

 

在中国科学技术大学西校区内,矗立着我国第一个国家级实验室——国家同步辐射实验室,行人经过学校临近合作化路高架桥的大门时都可以看到它的身影。我国以真空紫外和软X射线为主的专用同步辐射光源就坐落于此,熟悉这里的科研人员都亲切地称它为“合肥光源”。

国家同步辐射实验室于1983年经国家计委批准立项,由中国科学技术大学筹备并建设。作为中国第一台专用同步辐射装置,早在1989年4月,合肥光源就发出了第一束“神奇之光”。二十多年来,这个以同步辐射应用和同步辐射光源研究为主的知识创新基地在中国科学技术大学持续发光发热,为科技人员照亮未知的微观世界。

同步辐射实验室主任陆亚林教授告诉科技日报记者:“光是无处不在的,它也是人类观察及研究大自然最重要的工具。与常规光源相比,同步辐射有许多突出的优点。它的亮度很高,频谱宽阔、连续、平滑,利用单色器可从中选取所需的任何波长的光,被广泛应用于物理、化学、医学、材料科学、生命科学、环境科学、能源科学、信息科学技术等领域。合肥光源的真空紫外波段可用于许多研究,例如让人们认识超导等先进材料以及蛋白质的性质和功能;X射线波段可用于蛋白质、凝聚态物质的晶体结构研究。”陆亚林告诉记者,“随着科技成果的转化,一些同步辐射技术已逐渐改变着人们的生活。”

中国人自己的先进光源

在合肥光源周长66米的电子储存环内,电子束被加速到所需能量,以接近光的速度在闭合环形的真空室中运行,并在转弯时放出同步辐射光,形成透视微观世界的“利器”。

“同步辐射作为一种先进的光源,在国家安全、能源、工程材料实时研究等方面发挥着关键的平台支撑作用。”陆亚林说。

20世纪70年代末,中国科学技术大学在国内率先提出建设电子同步辐射加速器。1977年,在一批老科学家的积极推动下,同步辐射装置的建造列入全国科学技术发展规划。1978年春,中科院决定成立以中国科学技术大学为主的同步辐射加速器筹备组,并于当年3月在合肥召开了第一次筹备会,讨论我国建造电子同步辐射加速器的初步方案,这标志着我国同步辐射事业的正式启动。

自那时起,中国科学技术大学研究员刘祖平就积极参与了国家同步辐射实验室一期工程建设。作为加速器物理工作者,刘祖平全程参与了光源的设计、制造、安装、调试、运行及改进。

“早在1977年国家科学大会上,科学家就首次提出在我国建设同步辐射光源的设想。”刘祖平告诉记者,“那个时候国家没有钱,要做的事很多,但仍然在这项基础科学上大刀阔斧地投入。现在回头看,是十分不易的。而中科院也打破常规,将这一艰巨的任务交给中国科学技术大学,也成就了我国最早的一个依托高校的大科学装置。”

说起合肥光源人克服困难、大胆创新的故事,刘祖平觉得真是三天三夜也说不完:“建设之初,世界上同步辐射光源中插入元件刚刚开始使用,合肥光源人注意到了这一趋势,设计了可放置插入元件的长直线节。合肥光源在储存环的12块弯转磁铁都可引出特征波长为24埃的同步辐射光,还有3个直线节可安装插入元件并引出具有其他特征波长的光,为装置今后的发展预留了空间。”

改造升级再放异彩

随着科学技术的发展和用户对光源需求的提高,合肥光源人强烈感受到,原有线站的发射度、亮度等指标已难以满足迅速发展的科研要求。“增加光束线站、改进和提高光源性能势在必行”。

1997年原国家计委批准了“国家同步辐射实验室二期工程”的立项,总投资1.18亿元人民币,在原有装置的基础上改造关键系统,增建1台波荡器和8条光束线及相应的实验站。

作为二期工程的项目经理兼总工程师,刘祖平告诉记者:“改造后的合肥光源运行质量和装置技术水平比改造前大幅度提高。”

此后,合肥光源取得了一系列令人瞩目的成绩——2005年,齐飞教授带领的研究组与美国、德国的科学家合作,首次在实验中发现了一系列的碳氢化合物氧化过程的重要中间体——烯醇,其研究成果以Science Express形式发表在当年5月12日出版的国际权威学术刊物《科学》杂志上。2007年,我国首颗探月卫星“嫦娥一号”成功发射,并传回首张月面图像,我国也从此迈入了具有深空探测能力的国家行列。而鲜为人知的是,“嫦娥一号”首次飞行任务携带的太阳风离子探测器,其正机实验标定和测试,就是在合肥光源上完成的;2008年,实验室还利用低温等离子体放电技术完成了对星际等离子体环境的模拟,并在醇类物质的等离子体放电过程中探测到一系列的烯醇类物质,揭示了烯醇类物质作为一类重要星际物质的可能性,这一实验结果发表在天文学科顶级期刊《天体物理学杂志》上……

“受到合肥光源储存环聚焦结构、光源亮度和光子通量的先天限制,光源品质成为限制国家同步辐射实验室继续研究同步辐射应用技术,发展创新的、先进的同步辐射实验方法的‘瓶颈’,也无法适应中国科学事业迅速发展需要,无法满足国家科技发展的重大战略需求。”陆亚林介绍说,“因此,自2010年起,在中科院和中国科学技术大学的共同支持下,国家同步辐射实验室启动了‘重大维修改造项目’工程。改造后的合肥光源已达到国际同类辐射装置的先进水平,为基础科学及应用科学提供最先进的研究平台。”

令他感到欣慰的是,升级改造项目实施过程中,国家同步辐射实验室工程建设队伍坚持以自主创新为主,采用高水平的集成创新,艰苦拼搏,攻克了一个个技术难关,实现装置的所有性能指标全面超越了设计值,并达到准三代光源的水平。“合肥光源重大维修改造项目主要建设目标是实现储存环直线节数目增加到8个,束流发射度降低到40纳米弧度,直线加速器满能量注入,首批完成从插入元件引出的5条光束线及实验站的改造建设,从而提高合肥光源的整体性能,充分发挥合肥光源在真空紫外能区的优势,推动我国在若干领域的科学研究达到国际领先或国际先进水平。”

“未来我们希望它能够为安徽正在大力发展的新能源汽车、生物医药、新材料等战略性新兴产业提供科研支撑,进一步推动中科院合肥大科学中心的筹建工作。”陆亚林说。

神奇之光璀璨夺目

“我们看到的火焰里面有成千上万的化学反应,这些化学反应决定了火焰发热的效率、污染物排放等,而发动机的性能等都与燃烧有关。”正在国家同步辐射实验室燃烧实验站做实验的清华大学燃烧能源中心热能工程系研究院杨斌博士告诉记者,“为了更好地了解燃烧的本质并控制它,我们要了解它整个过程中的各方面机理。这条同步辐射光束线可以将火焰电离,我们就可以对其进行分析和诊断,虽然对火焰的研究还有色谱和激光光谱等其他手段,每种方法都有它的好处和局限性,但在同步辐射实验室里我们可以对火焰的组分进行观察,并做出一些定量的判断,这是目前最好的手段。”杨斌说。杨斌的研究方向是生物质燃料——如何将秸秆、地沟油、废弃物等再利用,让生物质能源利用得更加充分。

如今,合肥光源的线站已全面升级,杨斌和他的三个学生已经在这里进行了一个星期的实验。为了了解火焰组分的各项指标,他们还会继续在这里待上一个星期。据陆亚林介绍,合肥光源吸引了来自国内外的研究者,光源长期可靠地稳定运行为广大用户提供了良好的实验条件和手段。

“合肥光源的研究范围很广泛,如对超导材料之类的电子结构进行研究,可广泛应用于材料、能源基础、物质及生命科学,以及环境等领域。这其中不少研究,还跟市民的生活息息相关。”陆亚林说,“比方说大家都很熟悉的PM2.5。这种污染物是如何形成的很多人都不清楚,其中一个诱因是汽车尾气通过紫外光的照射,并与之发生反应后形成PM2.5。在科大国家同步辐射实验室里刚好能够使用这个波段的光来模拟PM2.5的产生过程,为研究空气污染物提供最直接的方法。”

国家同步辐射实验室还为国家重大基础研究计划(如纳米科技计划、结构基因组研究计划等)、“863”研究项目、国防建设急需的研究项目以及其他学科的创新性研究工作提供了一流的研究平台;并充分发挥了合肥光源多学科交叉的特点,开拓同步辐射新的应用领域,促进原创性工作的开展,促进用户取得具有国际影响的研究成果;还与产业建立合作关系,寻求产业建立自己的专用设备或生产基地。

“作为中国重要的同步辐射研究中心之一,合肥光源已成为以同步辐射应用和同步辐射光源研究为主的知识创新基地、人才培养基地及发展高新技术的创新基地,为国内外科学家提供性能优良的实验研究平台,未来我们会继续发光。”陆亚林说。

 
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2016/5/6 11:37:18 am79
与上海光源有什么关系吗?
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