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“北京光源”建设攀登新高度 为了这一天这群“追光人”已奋斗10多年

国内 来源:北京日报      时间:2021-07-23 10:49:10

1895年11月的一个傍晚,德国物理学家、维尔茨堡大学校长伦琴躲进一个完全漆黑的房间里,开展一项阴极射线研究。伦琴明白,阴极射线只能在空气中传递几厘米,因此他只是用黑色硬纸给放电管做了一个封套。

实验开始不久,一种前所未有的现象出现了:一米开外的工作台,一块荧光屏发出了亮光,把工作台移至更远,亮光依然存在。“这肯定不是阴极射线,那是什么?光源在哪?”反复验证后,伦琴将这种神秘未知的光线称为X射线。进一步的研究发现,X射线可以轻易穿透上千页书,数厘米厚的木板、铝板,甚至还能穿透肌肉照出手骨轮廓。从此,一种新的检测方式诞生了。X射线在医学诊断、工业探伤等领域广泛应用。

130年后的2025年,在雁栖湖畔的北京怀柔科学城,一只周长1.36千米的超级“放大镜”将被安放到位。2021年6月28日,首套科研设备——电子枪装进了“放大镜”的“手柄”位置。4年后,电子枪打出的高能电子束,将在“放大镜”的圆环隧道里以无限接近光速奔跑,在2400多块磁铁的作用下,产生亮度远远超过普通灯泡万亿倍的X射线,以全球“最亮”的光源探究纳米级的物质结构奥秘。

为了这一天尽快到来,中国科学院高能物理研究所的一群“追光人”,已经奋斗了10多年。

老科学家的呼声

上世纪70年代,原子物理、高能物理研究高速发展,国外研究成果频出。但在国内,囿于经济、科研水平等因素,高能物理发展进展缓慢。对此,一批老科学家忧心忡忡。

1972年8月,62岁的高能物理学家张文裕联合朱洪元、谢家麟等科学家给周恩来总理写了一封信,信中呼吁我国急需发展高能物理研究,必须建造高能加速器,这关系到国家核心科技,刻不容缓。

这份建议得到了周总理的重视,他在回信中明确表示“这件事不能再延迟了”。次年,中国科学院高能物理研究所成立,张文裕成为首任所长。

这一年,在北京和平门外,13岁的潘卫民升入了中学。出生在一个普通干部家庭的他从小喜欢各种科普书籍,尤其是对原子物理、光学物理情有独钟,“很小的时候我就知道了X射线可以用来看病。”他说,有一次自己胳膊受伤,肿得如碗口粗,医生用X光拍片子检查有没有伤到骨头。拿到片子时,大人们还背着他看,怕白白的骨密度影像吓到孩子,潘卫民却大胆地拿过片子,有模有样研究起了自己的伤情,“没事,养养就好了。”其实,片子清晰地显示是比较严重的骨裂,他的若无其事让大人们竖起了大拇指。

从1973年到1981年,国内的高能物理学家们一直在积极论证,中国该采用哪条技术路径建设自己的高能加速器。1981年5月,高能所在征求国内外专家意见的基础上提出了建造2×22亿电子伏正负电子对撞机的方案,在由国家科委和中国科学院召开的专家论证会上获得原则通过。1984年,北京正负电子对撞机(BEPC)工程正式破土动工。

年逾70的张文裕戴上助听器,拄着拐杖参加工程论证会,坐着轮椅到加速器储存环隧道了解工程的实施情况……每每听到工程的进展,他总是连连点头,眼中闪着激动的泪花。

1988年10月16日,京西玉泉路,北京正负电子对撞机首次实现正负电子对撞。《人民日报》称“这是我国继原子弹、氢弹爆炸成功,人造卫星上天之后,在高科技领域又一重大突破性成就,揭开了我国高能物理研究的新篇章”。

老科学家们的呼声终于成为现实。

高能所西南,中国原子能研究院,经过8年加速器物理与技术专业学习的潘卫民听到这一喜讯后格外激动,他深知这个加速器项目对于中国高能物理研究的重大意义。加速器附近是同步辐射装置,那就是一套产生X射线的大光源。他感受到一项宏伟的事业正朝自己招手。

而在千里之外的羊城广州,中山大学物理系本科生董宇辉也找到了自己的学术目标——北上进京,追随我国著名理论物理学家、同步辐射应用专家冼鼎昌。

两人的“追光”之旅悄然启程。

解析SARS病毒蛋白结构

北京正负电子对撞机形似一只羽毛球拍,它由北向南卧在地下,由一台长202米的直线加速器、一组共200米长的束流输运线、一台周长240米的储存环加速器、一座高6米重700吨的大型探测器“北京谱仪”和14个同步辐射实验站等组成。

除了2004年至2008年进行的重大改造工程以及每年大约2个月的检修时间,正负电子几乎一刻不停地在此对撞,产生各种粒子事例。科学家分析这些事例,寻求科学发现。

董宇辉清楚地记得1990年第一次走进这里时的那份震撼,“如此大的科学装置,感觉只要它开动起来,重磅科研成果便唾手可得。”在这里,他孜孜不倦地学习、科研,从硕士、博士一直到博士后。

1997年,董宇辉前往意大利特伦托大学做访问研究。这所大学位于意大利北部,紧邻阿尔卑斯山,与奥地利接壤,环境优美。董宇辉平日里做实验、写文章,周末天气好的时候就和妻子出去旅行,日子过得恬静舒适。科研之余,他时常想起国内的北京正负电子对撞机,“经常去资料库检索看看,它又取得了什么重量级成果。如果有,比自己发论文还高兴。”他清楚,外面的风景再好,终究不是自己的家,自己的心永远属于这片热土。

很快,回国的机会来了。2000年,老师冼鼎昌的一个越洋电话打到了董宇辉的实验室,“你回来吧,北京正负电子对撞机改造工程需要建一个生物大分子晶体学实验站,希望你能助一臂之力。”老师说得很客气,声音也不大,但董宇辉如同听到了出征的号令,“走,咱回家!”他和妻子以最快速度打包完行李,告别同事,登上飞往北京的航班。

30岁的董宇辉成为我国第一个同步辐射装置生物大分子晶体学实验站设计建设的负责人,而这个实验站也成为他人生中主持的第一个大项目。

实验站建设开始后,董宇辉和同事没日没夜地在一线做调试。这个实验站要充分利用对撞机产生的X射线解析生物结构,要为生物学家服务,而董宇辉是材料物理学出身,要建好实验站,他必须知道生物学家在想什么、需要什么,于是,不去实验站一线做调试的时候,董宇辉就伏案自学生物化学、分子生物学、细胞生物学、遗传学等方面的知识。

2002年,生物大分子晶体学实验站试运行成功。利用这一平台,我国第一次用自己的同步辐射专用设备采集到蛋白质晶体完整、成套的衍射数据。

2003年,实验站正式向用户开放。当年12月,清华大学饶子和教授团队利用这一平台,解析出了世界上第一个SARS冠状病毒蛋白质的晶体结构,成果发表在美国科学院院报上,这为人类破解冠状病毒开辟了一条道路;第二年,中科院生物物理所常文瑞院士利用这一平台,测定了菠菜的光合膜蛋白晶体结构,研究成果以封面形式发表于《自然》杂志……

实验站成果频出,北京正负电子对撞机也在不断升级。潘卫民从原子能研究院来到高能所,带领团队为对撞机升级改造工程研发了核心设备国产超导腔,使我国成为世界成功研制此项设备的国家之一。

要建大光源就要建高能的

生物大分子晶体学实验站取得的一系列重大成果,没有让董宇辉自豪太久,他的心里始终隐藏着一丝不安。

在国外工作时,董宇辉曾前往英国做过同步辐射实验。他深知先进的同步辐射装置对科研的巨大推动力。他介绍,产生X射线的常见方式有两种:一种是用高能电子轰击金属,产生X射线,工厂设备探伤、医院诊断病情用的X光都是用的这一原理;另一种就是同步辐射装置,电子在同步加速器中以接近光速飞行,在磁场作用下发生曲线运动,电子会沿着弯转轨道切线方向发射连续的电磁辐射。

“就如同下雨时,我们快速转动雨伞,伞边缘的切线方向会飞出一簇簇水珠。”董宇辉说,与常规X射线相比,同步辐射光源产生的同步辐射光频谱更宽,覆盖红外光、可见光、紫外光和X射线波段;另外它的亮度也更高,高出常规X光机产生的X光4至14个量级,可用于高分辨的实验。

当年建成的正负电子对撞机和同步辐射装置实现了从无到有的突破,但无论是亮度还是聚光性能,都已经不适应开展更精细尺度的解析科研,“我们的设备已经落后了。”他说。

在国外,新一代光源正在不断建设,虽然我们也及时跟进,在上海、合肥等地规划建设了光源,但也仅仅只能做到“跟进”,一旦国外装置完成升级,我们又会再度落后。

2008年,董宇辉得知,位于法国的欧洲同步辐射装置正在策划新一期改造。时不我待,必须要弯道超车,建设世界上性能最高的第四代同步辐射光源——高能同步辐射光源。

“低能同步辐射光源侧重于功能研究,比如化学反应、超导电性、磁性等;中、高能同步辐射光源侧重于研究结构,可用于观察单晶生长、蛋白质分子结构、航空发动机单晶叶片的结构缺陷等。”董宇辉说,它们不分优劣,各有千秋,但合肥光源是低能光源,上海光源是中能光源,我国还没有高能光源。

要建大光源,就要建高能的,填补空白!大家想法一致。

从想法到落实,还需要论证。为了解决技术瓶颈问题,国家发改委支持了高能同步辐射光源的验证装置项目。在验证装置项目实施过程中,董宇辉担任副经理,负责光束线站实验技术的研发。经过近十年的攻关,验证装置终于完成,证明了我们的技术路径完全可行,装置性能完全可以满足科研的需求。

2017年12月,国家发改委正式批复了高能同步辐射光源项目建议书。第四代高能同步辐射光源选址在蓬勃建设中的北京怀柔科学城,成为其大科学装置集群中的核心装置。董宇辉、潘卫民先后加入建设管理团队。

“北京光源”建设攀登新高度

这是一套无与伦比的大科学装置,被称为“北京光源”。它由储存环及实验大厅、综合实验楼、用户服务楼、长光束线站、直线加速器等部分组成,总建筑面积达12.5万平方米。

从高空俯瞰,整体建筑外形似一个放大镜,安放在雁栖湖畔,寓意“探测微观世界的利器”。这其中,1.36千米周长的储存环里要分布2400多块各种各样的磁铁,还有数不清的各类高精尖设备。施工难度前所未有,工艺要求前所未有。其中一个建设指标是:储存环的微振动幅度不能超过25纳米。施工单位负责人看到后的第一反应是:这是开玩笑吧?不可能!这种要求倒是在精密光学实验中能见到,但那只是在几米的范围内实现。一个1.36千米周长的大圆环,最粗段的宽度超过30米,有混凝土有钢梁,怎么可能将微振动做到纳米量级?

可这就是要求。超了,实验精度就无法保证,必须想尽办法解决。为此,建设团队采用换填的办法,在储存环所在位置下挖3米,把所有土壤移走,然后浇筑混凝土,打造出一个坚实的底座。“从分段测试来看,这一设计效果很好。我们会不断跟踪,根据加速器物理和光束线站要求,积极采取各种减震措施,确保微振动指标达标。”潘卫民说。

作为工程的总指挥和常务副总指挥,潘卫民、董宇辉的办公室墙上都挂着一份零级工程建设计划图,将整个大光源的建设分解为82个步骤,每个步骤都标出了开始时间、完成时间。如直线加速器电子枪的安装时间为2021年7月8日。潘卫民用红笔将“8”改成了“1”,“这一步我们提前做完了。”他笑着对记者说,从6月底,项目先后完成了储存环封顶、电子枪安装,已经跑赢了既定安排。

潘卫民说,整个项目一共分解成了52个分系统,算上建设人员,最多时有超过1000人奋战在雁栖湖畔。科研人员和建设队伍克服了疫情带来的种种不便,争分夺秒在不同的领域攻关,第四代光源从技术难度上远超现有的光源,很多技术领域处于世界前沿,更是我们的短板和空白。开工两年了研究团队仍在攻关,一点点奋力爬坡,每攀登一步就是一个新的高度。

在建设过程中,无论是国家还是北京市还是怀柔区,都给予了巨大的支持。比如在资金方面,国家发改委提供了建设资金,北京市还提供了配套资金9亿多元。整个光源装置的满载运行功率达3.8万千瓦,也就是一小时用电3.8万度,为此,怀柔区相关部门对电网进行了扩容,以确保未来装置能稳定运行。

从明年起,“北京光源”就将迎来大批科研设备进驻安装。潘卫民和董宇辉说,他们已经做好了准备,一定确保设备安装、调试顺利完成。“这是我们的‘后墙’,2025年12月31日。”潘卫民指着计划图最底下的几栏,到了这个日期,整个高能同步辐射光源装置就要建成投入试运行,“这个‘后墙’是不能倒的!”他目光坚定。

潘卫民和董宇辉自豪地说,高能同步辐射光源建成后,将是世界上亮度最高的第四代同步辐射光源之一,它的设计寿命为30年,建成后还会不断升级改造,预期工作寿命可达50年甚至更长。

启用后,这个超级“放大镜”是这样工作的:位于源头的电子枪产生高品质的电子束,再由直线加速器将电子束加速到0.5GeV的能量,增强器将0.5GeV的电子束加速到额定的6GeV,然后电子束注入1.36千米长的储存环轨道,以接近光速的速度运动。在储存环上的不同位置,电子束通过弯转磁铁或者各种插入件时,会沿着偏转轨道切线方向,发射高能的X射线。

董宇辉说,这些X射线通过一系列精密光学系统分光、准直、聚焦等再加工后,可提供纳米级空间分辨率、皮秒(万亿分之一秒)级时间分辨率的同步光。这些光汇聚到装置的束线实验站,为科研人员提供服务。

根据科学目标,高能同步辐射光源可以对物质的微观结构进行全方位探测,解析物质结构生成及其演化的全周期全过程,探究材料性能和使用过程中失效的关键因素,解决高温合金材料的制造、加工、服役和修复等环节中一系列复杂问题,还可以解析亚微米量级的蛋白质晶体结构,解释重要蛋白的功能,推动新药发明。

可以预见,在不久的将来,一批重量级科研成果就将诞生于怀柔科学城!

(原标题:雁栖湖畔“追光人”)

来源:北京日报 记者:张航

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