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来源: 安徽新闻网-安徽日报 2020-12-18 15:35:00 责编:

一道光,劈开天地混沌,人类开始了对世界及自我的探寻。

光无处不在。它是看见,是观察及研究的最重要工具,是牵引人类从黑暗中走出的力量。

从钻木取火,到发明电灯,再到探索微观世界的先进光源,人类自诞生以来,就从未停止过追光的脚步。

神奇之光

纵观人类文明史,可以说是一部利用和开发“光资源”的历史。

无论是美国发明家爱迪生发明的电光源,还是德国科学家伦琴发现的X射线源,抑或是美国和前苏联一批科学家创制的激光光源,都是人类文明进程的里程碑。

光是一种电磁波。不同的波长可以诞出不同的光,人类把肉眼可见的波段叫做“光”;不可见、更短的波段叫“X光”。光的波长越短,能量越高。如果想看到更小更清晰的物质结构,特别是物质内部的结构的话,一定要有更短的波长。

为了看得更清楚,科学家们四处寻找更短更有能量的波。上世纪60年代末,科学界终于有了新发现:就像雨中快速转动的雨伞,伞边缘切线方向会飞出一簇簇水珠一样,当高能电子束团被强迫在环形同步加速器上以接近于光速做回旋运动时,也会在切线方向发射出辐射波,这就是同步辐射光。

从被科学界发现起,同步辐射光就被冠以“神奇之光”的美誉。因为与常规光源相比,它的亮度很高,频谱宽阔、连续、平滑,可以任意选择所需要的波长且连续可调。如果拿医院里的X光机做对比,那么同步辐射光源就是超级X光机,它要比医院的X光机亮数百亿倍。正是有这样的亮度,人们可以借助它观察到物质的原子、分子结构。

基于以上各种优点,同步辐射光在科学、技术、医学等众多方面解决了一批常规实验室无法解决的问题,做出了重大贡献。如在医学上,可以帮助观察到细胞的层次,看到细胞里面蕴藏的信息;可以帮助观察病毒在分子层次上到底是什么结构,然后药物学家就可以针对性地找到合适的药物。

如此“神奇之光”引起了世界各国特别是发达国家的高度重视,纷纷建立了自己的同步辐射实验中心来构建光源。

中国当然也不会落在人后。1989年4月29日凌晨,中国第一束“神奇之光”从合肥迸发,照亮了中国科学家“追光”的赛道。

初绽之路

追溯这束光的起点,它在中国科学技术大学西区一幢状如飞碟的巨大建筑物内。这正是国家同步辐射实验室的“合肥光源”所在地。

1978年2月,科学的春天悄然而至。中科院正式下文,批准进行同步辐射加速器的预研制和物理设计项目,项目就落户在位于合肥市的中科大。时任副校长包忠谋亲自挂帅,拉起了一支以何多慧、裴元吉、金玉明、张武等几位中科大近代物理系加速器教研室教师为核心,平均年龄不到35岁的年轻队伍,开启了光源的逐梦征程。

从预研、设计,到建造和调试,何多慧院士作为“合肥光源”项目总工程师,见证了中国同步辐射光源从无到有的历史性转变。

“刚开始,我们总共只有十几个人,由于‘文革’停止提职,大家基本上都是助教。条件很艰苦,只有一间房子,每个人几乎都是从头学起,拼命学、拼命干。到预研和物理设计完成,也才五十几个人。”何多慧说。这是一条充满曲折和艰辛的道路,那时我国科技与发达国家的差距很大,大家完全凭着一种精神,为了国家忘我奋斗。

何多慧1939年出生在四川省仪陇县,那是朱德总司令的故乡,也是毛泽东主席在《为人民服务》那篇文章中所悼念的红军战士张思德的故乡。“新中国成立以后,家里分了田地,我才得到继续上学的机会。从中学到大学,全都靠的是助学金,连到北京上学的大部分路费都是国家和中学老师给的。”何多慧回忆说,那个年代出来的人,都想着一心一意为国家,再苦再累也不怕。

上世纪70年代末期开始,国家大力发展科学技术,中科院启动了三个大科学工程,分别是北京高能物理所的正负电子对撞机、兰州近代物理所的重离子加速器和合肥同步辐射加速器。尽管当时经济困难,国家领导人非常重视这批大科学装置的建设。1982年,时任国务院副总理方毅到中科大考察,他在全校教职工大会上作报告时说:“不管国家经济多么困难,就是卖了裤子,也要建设好合肥同步辐射加速器。”

1983年4月8日,国家计委发文正式批准合肥同步辐射加速器项目立项,并直接把合肥同步辐射加速器改名为“国家同步辐射实验室”。这是我国国家实验室概念的起源,是我国的第一个国家实验室。

“当时,中国自己建造的最大加速器只是3米长的30MeV(兆电子伏特)电子直线加速器,根本没有储存环,我们只能边干边摸索。因为当时国家没有同步辐射光源,大家就一条心一定要把这个东西搞出来,为国家争气。”何多慧说,“那时我晚上回去休息一会儿,电话也一直放在耳边,万一有事,立刻就得跑到现场。”

他清楚地记得这支队伍里每一个和他并肩战斗的伙伴:为解决一个技术难题一连三天三夜不睡觉的研究生周银贵;到贵州深山沟里驻厂几个月制造零部件的高频系统负责人冯兰林……整个团队十几年如一日地忘我工作,实验室的核心装置——同步加速器终于在1989年4月底建成。

激动人心的时刻终于来临了:从第一次向储存环注入电子束流到获得储存束流,产生很强的同步辐射,仅仅过了23小时。而在此之前,世界上所有的同步辐射加速器调试出光没有少于48小时的。时任美国斯坦福大学同步辐射实验室副主任威尼克教授由衷赞叹:“不可思议!中国人太伟大了!”

1991年,国家同步辐射实验室项目迎来国家鉴定和验收。这场大考由国家科委组织和主持,著名物理学家王淦昌任鉴定委员会主任,最终给出的鉴定意见认为:合肥同步辐射光源已达到国际同类装置先进水平。

“他们是教师,他们太年轻,却奇迹般研制建造成功这台具有世界一流水平,巨大、复杂、尖端的同步辐射加速器。”我国著名物理学家谢希德感叹地说。

这台呱呱坠地的同步辐射加速器,95%以上都是国产设备。“合肥同步辐射加速器及光束线实验站”项目,也因此获得1992年中科院科技进步奖特等奖和1995年国家科技进步奖一等奖。

极致之美

第一代科学家们奋力建造的“合肥光源”已平稳运行近30年,国内外用户超过18000人次,许多重要科研成果从这里诞生。

然而,科学在发展之路上总是不断抛出新的问题。光阴流转,第二代“追光”者接过了上一代的接力棒。

不同的科学门类需要不同波段的同步辐射光源,因而需要建立不同的实验站。为了更好地发挥“合肥光源”作用,上世纪90年代末,时任中科院副秘书长、中科大党委书记的刘乃泉带领团队改造了俄罗斯退役的超导扭摆磁铁,将其成功安装在“合肥光源”上,并建成了“一线三站”的规模。

“‘合肥光源’是合肥首个建成运行的大科学装置,不仅要‘建起来’更要‘用起来’。”国家同步辐射实验室原执行主任盛六四表示。盛六四原本从事激光化学研究,1986年起主持筹建国家同步辐射实验室光化学实验站。作为国家同步辐射实验室二期工程副总工程师,他还是“八五”“九五”实验站和光束线改造的主要完成人。

“老一辈科学家拼上命建好的同步辐射光源,我们一定要想方设法用好它。”盛六四和同事们说的最多的一句话就是,“何多慧院士都带头那么拼命干,我们作为年轻人没有理由落后。”抱着这样的信念,盛六四、李为民等一批优秀骨干科学家不约而同地多次放弃了出国深造访学的机会。他们都认为,国家同步辐射实验室是极好的工作舞台,也是体现人生价值的地方,在这里努力工作更是报效祖国的绝佳机会,一定要在国内同步辐射光源上做一番事业。

同步辐射是一项巨大、复杂、尖端的高科技工程。改革开放初期,国内经济条件不好,工业基础薄弱,很多设备仪器都没有,只能硬着头皮自己干。在光束线和实验站的建设、改造中,盛六四和其他建设者一起,不光自己设计,还得常去工厂共同讨论工艺,自己安装、调试,遇到一些特殊零部件还要亲自制作。“刚开始没有计算机,我们就自己画图,业内叫‘爬图板’。”盛六四回忆他在一期、二期工程光束线和实验站建设过程中,“爬图板”画出的图纸有近万张,自主设计的设备仪器价值几千万元!

在张新夷、刘祖平、盛六四、吴自玉、陆亚林、李为民、田扬超等一批科学家的率领下,“合肥光源”历经二期工程、重大维修改造项目两次升级,性能发挥到了极致。包信和、谢毅、陈仙辉、杨学明、俞书宏等科学家们在“合肥光源”上做出了众多世界级原创成果,解决了先进功能材料、能源与环境、生命科学等领域一系列重要科学问题,并在航空发动机燃烧、煤化工能源转化、先进薄膜材料、大光栅技术和标准探测器定标与传递等领域做出了诸多开创性的研究工作。

发展之变

科学家们把同步辐射光源视作探索微观世界的眼睛,每引出一束同步辐射光,就可以照亮一个学科领域。

经过几代科学家的持续努力,“合肥光源”的性能已经发挥到了极致,但是新时代的用户也提出了更高需求,更微观的世界等待光束的照进。

2006年起,中科大国家同步辐射实验室把光源研究方向瞄向了衍射极限的低能区。“我们要建世界上最先进的第四代低能区光源,为产业界解决痛点。”作为新一代“掌门人”,国家同步辐射实验室主任封东来向外界宣告了“合肥光源”的最新使命——“合肥光源”要向“合肥先进光源”转身,建设成为亚洲第一个第四代低能区光源。

“四代光源是科学探索的‘国之重器’,它在亮度和相干性方面有了巨大提升,把X射线对各学科研究的支撑能力提升到一个前所未有的高度,可以更清楚地看清微观世界。”封东来说。

当软X射线的亮度和相干度成百倍地提升,它将对很多领域产生变革性的影响。“合肥先进光源”能够以纳米级的高分辨直接观测复杂的不均匀体系中的电子、自旋、化学状态和轻元素体系的结构,有望揭开高温超导电性的秘密,帮助人们研发更安全、更高容量的动力电池和更高性能的催化剂,极大提高航空轮胎橡胶和高强度碳纤维等轻元素复合材料的研发效率,甚至帮助揭开困扰人们多年的阿兹海默症病理。

目前,除“合肥光源”外,国内还建有“北京光源”和“上海光源”。这三个同步辐射光源分别瞄向各自不同的“能区”:已经投入使用的“上海光源”是第三代中能区光源,正在建设的“北京光源”属于第四代高能区光源。如果瞄准第四代低能区光源的“合肥先进光源”能顺利建成,将实现我国先进同步辐射光源的全能区覆盖。中国光源将在世界上更加璀璨夺目。

梦想一步一步推进。2013年,“逐步形成布局合理的国家光源体系,适时启动高性能低能量同步辐射光源建设”被纳入《国家重大科技基础设施建设中长期规划》;2017年,时任国家同步辐射实验室主任的陆亚林推动“合肥先进光源”预研项目立项。

在建设“合肥先进光源”的共同目标下,新一批年轻“追光”者汇聚在一起,为这个宏大的梦想开始新一轮拼搏。

青年研究员王琳从2006年起开始参与“合肥先进光源”的设计,冯光耀、刘啸嵩、王发芽、白正贺、王占东等一大批学者纷纷从世界各地加盟。在物理设计上,追求指标的极致和降低工程的难度是相互矛盾的。为了兼顾二者,王琳、白正贺等人将物理设计方案数十次地迭代进化,从而得到了最优方案,获得国内外顶尖同行的高度认可。

“四代光源建设涉及上千万个零部件,是一个非常浩大的系统工程,必须要有强大的人才团队和多年的技术积累。”封东来坦言,现在世界上有十多个国家在规划建设四代光源,但建设先进光源需要几十个研究方向的人才,而且环环相扣,任何一环都不能有缺口。

为了“环环相扣、万无一失”,2017年,“合肥先进光源”启动了项目预研,冯光耀、王发芽、王琳、张善才、刘功发、孙喆、王秋平等一批科学家带领团队针对17项关键技术进行攻关。

随着2020年12月11日高品质电子源技术顺利通过测试,预研工程距离总体工艺顺利验收又迈进了一步。截至目前,整个工程已完成了超快时间分辨技术、软X射线原位反应池技术、储存环机械支撑技术、储存环超导高频腔技术、储存环注入技术、加速器控制技术、高精度长程面形仪和精密光栅制作技术、准直定位技术、储存环电源技术、储存环磁铁技术和高分辨光束线关键技术、高品质电子源技术共11个分项的工艺测试。

大国之眸

英国著名诗人亚历山大·波普曾感叹:“自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中。”崛起中的中国,无比渴望一双更亮的科技“慧眼”,去看清更远更准的方向。

2017年,合肥成为继上海之后的全国第二个综合性国家科学中心。“合肥综合性国家科学中心必须要有一个能聚集国内外众多领域科学家的装置,‘合肥先进光源’正是这样一个‘旗舰’级大科学装置。”封东来说,“我们有信心、有经验、有队伍,更有能力建好‘合肥先进光源’!”

信心来自实力,底气则来自强大的后盾。3年前,“合肥先进光源”就被列为合肥综合性国家科学中心核心建设项目;中科院和安徽省更是投资3.56亿元联合启动“合肥先进光源”预研项目。安徽省承诺将全力支持“合肥先进光源”的建设。

中科大是我国同步辐射事业的发源地,作为高校大科学装置的“领头羊”,多年来,中科大在高校和大科学装置互促互赢上不断创新。中科大党委书记舒歌群、校长包信和多次调研和讨论,急实验室所急,解实验室所困,学校通过了实验室与人力资源部共同上报的队伍改革方案,从评价体系、晋升渠道、人员编制、工程激励等各方面给出了新政策,充分释放实验室人才活力。

从规划设计图上俯瞰整个园区,“合肥先进光源”如同一只“慧眼”,微观世界的秘密将从这里探寻。当蓝图变成现实后,这里将成为合肥的城市新地标,助力合肥成为具有世界影响力的综合性国家科学中心。

作为未来的重大科学基础设施,“合肥先进光源”将成为科学研究的“利器”和产业步入快车道的“助推器”。它将推动多学科集聚、顶尖科学家集聚、一流创新群体集聚、高新产业研发集聚,从而助力长三角科技研发一体化的国家科技战略布局。

光,照亮了人类发展的漫漫长路。国家同步辐射实验室的几代“追光”者从零起步,聚力传承,高擎“神奇之光”,努力实现大国崛起的“光源梦”,也将开启人类文明的新征程。(陈婉婉 桂运安

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