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2025年底北京高能同步辐射光源将建成并投入使用

同步辐射光源 加速器
发布:2021-03-22 10:05:18     来源:人民网

2025年底,北京高能同步辐射光源将建成并投入使用,成为世界上最亮的第四代同步辐射光源之一。

习近平总书记指出,要高标准建设国家实验室,推动大科学计划、大科学工程、大科学中心、国际科技创新基地的统筹布局和优化。作为国家重大科技基础设施的代表,新一代光源、“中国天眼”、散裂中子源、“人造太阳”等大科学装置,既是前沿科学思想和先进技术的集成,也是开展基础研究、获取原创成果的利器。

北京怀柔科学城北部核心区,从高空俯瞰,周长近1.4公里的北京高能同步辐射光源(以下简称高能光源)主体大环轮廓清晰可见,正等待最后的连接成环。

这是我国第一台高能同步辐射光源,也将是世界上最亮的第四代同步辐射光源之一。截至今年2月底,项目的土建工程已完成总工程量的50%。记者日前走进高能光源的施工现场,实地探访这一国家重大科技基础设施。

同步辐射光源已成为尖端科学研究及工业应用不可或缺的实验利器

在高能光源项目总指挥、中国科学院高能物理研究所(以下简称中科院高能所)研究员潘卫民的办公室墙上,挂着一张大大的时间进度表,上面详细标注着工程所有的重要节点和计划完成时间。

每天,潘卫民都要依照表上的安排来检查和督促工程的各项进展,有时遇到不可预见的难题,项目组也会适时地对进度进行调整。最近即将迎来的一个重要节点是在今年7月初安装第一台加速器设备。“目前来看,各项进展都还比较顺利,按期高质量地完成这个目标应该没有问题。”潘卫民说。

什么是同步辐射光源?

专家解释,同步辐射是指速度接近光速的带电粒子在做曲线运动时沿切线方向发出的电磁辐射,也叫做同步光。这个场景就像是在雨中快速转动雨伞,沿伞边缘的切线方向会飞出一簇簇水珠。中科院高能所副所长、高能光源工程常务副总指挥董宇辉研究员告诉记者:“同步光具有穿透性强、高亮度、高强度和能谱宽等特点,可以帮助人类观察肉眼看不到的微观世界。”

当同步光照射在物质上时,就会产生许多不同的效应,比如光电子发射、离子或中性原子脱离、吸收、散射等现象。这些效应与物质本身的物理或化学特性密切相关。“因此,我们通过探测到的这些反应,就可以研究在原子、分子尺度上各种物质的微观结构和运动规律。”董宇辉说。

为了制造能量更高、亮度更强的同步光,人类发明了可产生这种光的大工具——同步辐射光源。

迄今为止,世界上70%的已知生物大分子结构:蛋白质、DNA、RNA、核糖体、核小体、病毒等,都是借助同步辐射光了解的,为各学科的前沿研究提供了重要支撑。近年来,世界各国都在加大对同步辐射设施建设的投入。据不完全统计,目前全世界已相继建成50多台同步辐射光源。

“如今,同步辐射光源已成为尖端科学研究及工业应用不可或缺的实验利器,可广泛用于材料、生物、医药、物理、化学、地质等领域。”董宇辉说,“比如在医学领域,科研人员就借助同步辐射光源揭示出活体肿瘤和脑血管病的发生和发展机制,为重大疾病的早期诊断与治疗提供关键理论基础和技术支撑。”

第四代高能同步辐射光源具有更高的分辨率

上世纪80年代末,依托于北京正负电子对撞机的第一代同步辐射光源——北京同步辐射装置建成并投入使用。此后,为了获得更高的分辨率,我国又相继建成合肥光源(第二代)、上海光源(第三代)。

近年来,随着世界同步辐射光源的发展,很多国家都在探究高能光源的更新改进方案。目前世界上已有3个“旗舰型”高能同步辐射光源装置,分别为日本、美国、欧洲拥有。

当前,同步辐射光源正经历由第三代向第四代的跨越。尽管我国已经拥有三代同步辐射光源,但它们均处于低、中能量区,从亮度能谱的分布来说,我国还缺乏高亮度的高能光源。

董宇辉说:“在应用方面,我国已有的三个光源由于所处能量区的限制,虽然能够‘看见’所观察物质的分子结构,但是捕捉其变化过程,特别是在真实状态下物质结构的变化过程,还有很大的困难和不足。”

2016年底,高能同步辐射光源建设,正式列入《国家重大科技基础设施建设“十三五”规划》。两年后,项目在北京怀柔科学城正式开工建设,主要建设内容由加速器、光束线站和配套设施等组成。

潘卫民说:“高能光源的外观被设计成一个放大镜的形状,寓意‘探索微观世界的利器’。其中,周长近1.4公里的储存环及实验大厅,犹如放大镜的镜框,是造型的点睛之笔,也是将来放置大型科学仪器的地方。”

相比第三代同步辐射光源,第四代同步辐射光源的亮度要高出100—1000倍。“要看到物质里的细节,很重要的一点就是要有足够的亮度。比方说,打个手电筒看东西,手电筒越亮,就能看得越清楚。光越亮意味着探测的精度越高,探测速度也越快。”董宇辉说,“作为第四代同步辐射光源,高能光源可以让我们更清楚地了解材料的内部结构,这对材料科学和生命科学的发展具有重要作用。”

在加速器、光束线等多个关键技术上实现创新

根据目前的设计方案,高能光源建成后将拥有世界最高光谱亮度。

“届时,除了开展科学研究,科研人员还可以利用高能光源,进一步探测分析飞机发动机材料在工作状态下的结构,为相关材料攻关提供更多信息。此外,随着集成电路集成度越来越高,具备高分辨成像能力的高能光源也将成为诊断精密部件内部缺陷的主力。”董宇辉说。

其实从2008年起,中科院高能所的科研人员就开始酝酿完全自主设计和建设新一代同步辐射光源,并启动了相关的预研工作。

中科院高能所研究员李明说:“这些年,我们围绕新一代同步辐射光源的核心装置,对加速器、光束线和实验站等多个关键技术难点进行攻关,取得了很好的成效,也有诸多创新。”

探测器是各种同步辐射实验的核心设备,李明告诉记者,以往我国同步辐射光源上的探测器主要依赖进口。针对高能光源的实际需求和未来同步辐射探测器发展趋势,研究团队自主研制出新型X射线像素阵列探测器样机,性能指标达到国际主流同类探测器产品水平。

按照计划,高能光源将在2025年底建成并投入使用。首期建设的14条公共光束线站,将向工程材料、能源环境等领域的用户开放。接下来,随着工程建设的进一步展开,研究团队也将持续攻克更多的难关。“我们在高能光源的建设中,将最大程度地实现器件的国产化。”董宇辉表示。

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