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合肥的第四代同步辐射光源,何以称为国际最先进?

2017-12-30 09:39:50 |  查看: 37 | 

来源:观察者网

据新华社11月10日报道,在成功建设运行我国第一台专用同步辐射光源的基础上,合肥综合性国家科学中心正筹建国际上最先进的低能区第四代同步辐射光源。日前,该光源预研方案已通过专家论证并正式启动。

  一周以内,又有类似大科学装置、科学中心等相关新闻纷至沓来,我就来介绍一下这个是用来干嘛的。

  什么是同步辐射?

  首先,同步辐射是一种光。

  其次,同步辐射和同步这个词的关系不大,只是它最初是在通用电器的一个同步加速器上被发现的,故而被定名同步辐射。正如X射线又被称为伦琴射线一样。

  再次,产生它其实“只”需要三个条件:1,带电粒子(常用如电子,氦原子核);2,带电粒子非常接近光速运动(一般专业点称之为相对论性的速度,即达到此种速度,其性质就可以套用相对论公式,而经典物理的公式已经无法描述其各种性质了);3,带电粒子非常接近光速的情况下时走曲线。

  此时,这个曲线上的切线方向上就会放出这种同步辐射。比如下雨天很多人打伞都喜欢转伞,伞沿甩出的水珠就是走的所谓切线方向。(请在四下无人时尝试,小朋友不要乱学哦)

  所以,同步辐射就是一种光。

  我们用的也就是这种光,这种光是一种全频谱即包含红外线,可见光,紫外线和X射线全光谱的光,这种光最突出的优点方便大家理解的可以概括为全且亮。(实际上还有很多优点,如高偏振,窄脉冲,高准直等)

  

可见光只是所有的光中极小一部分

  产生同步辐射光的我们称之为同步辐射装置,又称同步辐射光源。既然称光源可能有一个比较,就是常规光源,大家在医院拍摄X光,拍CT用的就是常规光源。它们优点是结构简单,缺点是基本是单光谱,而且亮度不够。

  当探测到微观世界时,光就成了我们的尺子,而刻度就是光的波长。

  这时同步辐射的优势就出现了,不仅全光谱而且可以简单分离出其中任意波长的光。对于什么尺寸的东西我们用什么尺寸的光来研究,因为这时衍射散射的条件才具备。同时高亮度就意味着我们能更快看清微观世界的信息。

  前面提到亮度不够主要是针对我们探测微观世界时的需求。正如大家夜间在家找东西,最简单的照明方法就是打开家中最亮的灯,让眼前一目了然,从科学意义上讲,就是更多的光子被你的眼睛接受,让你大脑更快对周边所有情况有所了解。而同步辐射就是我们探测微观世界时那盏最明亮的灯,到微观世界后,分到一个相对你桌上任何一个你可见或你需寻找的东西,我们通常研究的都是它的千分之一到百万分之一尺寸上的东西,要确保足够的光子打到上面并散射衍射再被探测器探测到,没有足够的亮度(光子数),我们就需要足够的时间。

  比如探测两个原子之间化学键的共振信号,需要N个光子,如果每秒只有一个光子打在这个键上,并产生信号,那么之后你就需要等N秒,而有N个光子时,你便只需一秒。当N不过是几十这个量级时,等上一分钟似乎并不成问题,但当这个数量级达到十亿这个量级时,三十年就一晃而过了。

  各代光源最主要的差别(一二代之间除外),以及提高的参数其实主要就体现在亮度上。而这一步步的升级其实就是一级级更高层次的科研平台,基本和奥运追求一样:更高,更快,更强。

  我们中国截止目前有四个作为大科学装置的同步辐射光源(所有同步辐射装置都属于大科学装置范畴)正在运行,北京正负电子对撞机(BEPC,在北京高能所内),合肥国家同步辐射实验室(NSRL,在中国科学技术大学西区内),上海光源(SSRF,位于张江)以及坐落于台湾新竹的同步辐射装置。

  北京正负电子对撞机被称为一代光源,合肥国家同步辐射实验室被称为二代光源,上海光源被称为三代光源。现在要建的就是四代光源。其中一个主要升级的性能就是亮度,就是更快看清微观世界。

  不仅合肥要建,北京,上海都要建。一言以蔽之:现在咱有钱了,任性。当然这是个玩笑,其实三个要建的也是各有专长。国家在做规划时也不希望重复做同样的东西,搞粗放型扩张,希望各擅胜场。我们主要的特点是在低能端(小于2Gev),北京上海将主要覆盖中高能端。之所以如此,一言以蔽之:合肥没有北京上海有钱。当然这也是个玩笑,虽然也确实有事实成分。

  一般来说同步辐射光源都是近似这个样子。

  

八个世界著名的国外同步辐射光源

  内部结构以国家同步辐射实验室为例:

  

NSRL的结构图,基本的同步辐射装置一般都是由一个直线加速器,电子储存环和实验线站组成

  

直线加速器一般深埋地下,它们负责把电子加速到接近光速

  

电子储存环,光速的电子束被磁场引到此处,便会将会被一个强大磁场约束在这个环内一圈圈跑,每次转弯便给切线方向的线站送去一波脉冲的同步辐射光,每秒光会在NSRL储存环里转上超过450万圈。利用这种脉冲性,我们可以研究一些快速化学反应或物理过程的中间态

  

实验室内部俯瞰图,中间就是储存环,外围就是一个个线站,这些线站就是作为科学研究的一个个平台,提供给全国科研工作者使用,储存环被一米厚的铅墙包裹在里面,使得线站工作环境的辐射剂量比在阳光下还小

  第一代光源和第二代光源其实并没有本质上的区别,只是第一代光源设计主要是用来做高能物理实验,即加速带电粒子到光速,再让它们去撞击其他粒子,研究包括核内微结构,基本粒子性质等一系列你懂的,你不懂的,你希望懂的以及你根本不理解为何要懂的科学问题。

  它提供同步辐射来研究属于“票友”性质,被称为兼用光源,作为同步辐射光源时,它叫北京同步辐射装置(BSRF)。

  从二代光源开始同步辐射装置才正式成为专用光,设计上与一代便各有侧重。

  北京正负电子对撞机和合肥国家同步辐射实验室都是文革后很快立项九十年代初通过验收(北京正负电子对撞机八八年完成第一次正负电子对撞,九零年验收;合肥国家同步辐射实验室九一年出光,同年底通过验收)。

  各种时间节点几乎就有很多值得说的地方,期间很多困难挫折令人唏嘘,此处只能略过。很多院士教授们自己学了机床来加工在当时中国只存在带回的资料上描述的各种零部件。

  但当我们真正做起来,等到我们准备升级时,全世界的供应商基本全来了,因为他们知道已经不可能封锁我们了,他们不卖,只会让自己蒙受损失。

  2010年10月我曾在法国做过短暂的访问研究,在法国SOLEIL(光源全称的缩写,这个法语单词意思就是太阳)光源时,一个叫Patrick的意大利科学家和我说过一句令我印象深刻的话:“Except detecter, everything is from China.(除了探测器,所有其他都是从中国来的)”。我问了一下探测器哪来的,答:德国。显然,我们已经是毋庸置疑的制造大国,但是在有些最尖端领域上还略逊于世界最高水平。

  

这是Patrick向我展示他最爱的一个中国产工具:手电筒,同组法国科学家打趣道:嗯,那也是个光源

  第三代光源九十年代就进行了大量的准备,但是在是2004年才通过审批开始动工的,其实就是国家要做统筹。从能量分布上,合肥0.8Gev,中低能端,北京2.2Gev,中能端,上海3.5Gev,中高能端。

  这个能量和全光谱的分布有关。每个光源的全光谱的能量分布并不均衡,呈现一个抛物线,中间高两边低,对于合肥光源来说这个峰在紫外波段,北京在软X射线波段,而上海在硬X射线波段。确实可以称之为合理布局,在有限财力下的最优配置。

  不要小看这个,合肥国家同步辐射实验室的能量最低,但每年光水电费就接近千万(约900万)。随着能量的提高,这个耗费是呈指数级别往上增的,而同时,所有申请到所有同步辐射装置进行各种科学实验是完全免费的,我就不重复三遍了,但确实很重要。

  与此相对应的是,日本乃至世界能量最高的同步辐射装置SPRing8(8Gev),使用起来需要交纳每小时六万日元的费用。所以,这种实验平台的建立和维持除了一个高素质科学和工程团队,还需要国家不计成本的投入。所以,对于如笔者这样的线站工作者,通常就要面临着一个重要任务,寻找用户,发掘用户。同步辐射装置一旦开启,那就是在烧钱,如果线站上没有用户,我们感受到的是一种国有资产流失的痛。

  当然现在时代不一样了,国家有钱,也愿意在这个方向上投资,因为至少到现在为止,同步辐射仍是对微观世界研究的最有效且系统的工具,没有之一。历任党和国家领导人也都视察过国家同步辐射实验室。

  絮絮叨叨这么久,可能很多人仍然在关心,同步辐射到底能做什么,我还是先举些例子。

  我来列举一些大家可能感兴趣的同步辐射的应用。

  首先我们一起来看看我们从哪里来?西伯利亚发现的5亿年前寒武纪古蠕虫化石晶胚,利用同步辐射X射线断层显微(SRXTM)技术,研究古蠕虫晶胚的演化,揭示生命的早期发展,这个工作发表于2006《自然》。(SLS,Swiss,2006)Nature 442, 680-683 (2006)

  

5亿年前寒武纪古蠕虫化石晶胚

  利用X射线荧光(XRF)成像技术研究阿基米德重写本,发现在一页纸上同时既有阿基米德文字,又有经文,还有伪造的画。(SLAC, USA,2006)

  

阿基米德(公元前287年-公元前212年)的羊皮卷

  利用X射线荧光成像技术,仅用两天时间测量Hg, Sb, Pb等元素在梵高油画中的分布,从而重构出底层画像。Analytical Chemistry 80(16): 6436(2008)。才发现原画是如草坪这样的印象派画作,但是实际上里面有一张人脸的画,只是被油彩再次覆盖。

  

梵高的画

  古代石碑上的文字已模糊不好辨认,但是在同步辐射光照射下,却清晰显现了。

  古代石碑

  我们实验室曾承担一个973国家重点基础研究发展计划,其内容简单来介绍就是“快速CT成像”。现在医院拍一个CT常需要十几到几十分钟拍摄,再等几十分钟出片,而利用同步辐射只需要几秒延迟,便可以瞬时成像(注:实验对象为大鼠前爪),骨骼、血管、肌腱都清晰可见(专业词汇:高衬度),一旦成功乃至推广开来,可以手术的过程中同时看到患者整个身体骨骼肌肉的各种情况,确保手术全程全视野无死角。这个工作在国际上被誉为“近二十年来X射线成像的重大突破”。

  上海复旦大学张新夷教授研究组利用同步辐射技术研究了穴位和经络(注:实验对象为兔子),结果表明,经络相当于铁路,穴位相当于车站。

  有些穴位相当于物资存放站,富含钙铁锌硒等各种元素,但是针灸这里不会引起这些元素的浓度变化,而有些穴位则相当于调度站,针灸这里时,同一条经脉的物资存放的穴位的钙铁锌硒离子将快速沿经络重新分布。进一步的研究表明,一些穴位中的铁是以五配位的形式存在,而在正常条件下,五配位的铁是不稳定的,很容易被氧化为六配位的铁。

  而按摩这些穴位时,这些五配位的铁确实会转变为六配位的铁。这解释了为何我们按摩穴位时会产生酸麻痛的感觉,实际上,在我们的穴位里正发生着电化学的反应,感觉的差异,除了自身的感受性强弱,还有电化学反应的强弱。

  另外2005年完成的人类基因组计划的结构解析绝大部分工作都是在同步辐射装置上完成的。曾有人预估如果都用常规光源,全人类得用几百年才能解完。

  这种即便非常有用,我们也不能故步自封,所以说了这么多,终于又回到最初那个新闻上。就是为什么要建的问题,建了有什么意义的问题。第四代光将继续在实现亮度提高上做文章,北京和我们的第四代光源都是用衍射极限环,特点是高相干性,高亮度,比现在亮度提高一百倍,理论上,测得同样的信号,测试时间可以缩短为原来的一百分之一。

  这是目前得到最广泛认可的提高性能的最优解。在这种技术支持下,我们将清晰地进行纳米级别的结构研究,我们将很有可能直接观测到电荷的运动。或许,超导以及超流动性的秘密即将被解开。(题外话,我拿到的第一个青年基金就是做一个低温实验平台,我曾踌躇满志想要研究超导和非超导下的电子结构,设计并做了自以为非常详尽的实验,然后就没有然后了,做出了一堆其他不知是否有用的结果,在超导上毫无发现,所以对于新光源带来的进步,我其实有不少期待。)

  简而言之,同步辐射就是一种光,光能用来干什么,同步辐射就能做什么。在探索微观世界时,我们做得快,做得好。国家出钱,我们出力,免费提供给大家的高质量的实验研究平台。未来新的合肥光源以及其他中国新的光源的建立也都是为了我们国家整体研究能力的提高铺的下一层基石。

  想想似乎这样讲意义更好:想要避免1840到1949间一百多年中华民族蒙受那种种苦难,在现有的知识框架下是完全不可能,但要避免它们再次发生,似乎我们现在就可以参与其中,人无远虑,必有近忧,一万年太久,只争朝夕。



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