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中国科学的下一件大事:高能同步辐射光源

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阅读: | 2019-09-04 11:11
T中

 

撰文 | Robert P Crease 翻译 | 谷大春 校译 | 宋宇铮
在位于北京的中国科学院高能物理研究所(IHEP,以下简称高能所)的入口处,矗立着一座闪闪发光的金属雕塑。从远处看,这尊雕塑就像是一张长有两只螺旋状眼睛的脸——一只眼睛是黑的,另一只是白的,而在眼睛的周围则是两缕向两个方向散发着的头发。这尊雕塑仿佛就是毕加索创造出来的艺术品,只不过不是用画笔,而是用弯曲的塑料管。
 
董宇辉教授是高能所的一名资深研究员。今年6月,在我访问高能所时,他给我讲解了这座雕塑的寓意: “这尊雕塑其实是由中国的 ‘阴’ 和 ‘阳’ 符号组成,‘阴’ ‘阳’则表示组成万事万物不可分割的对立面。” 所以,起初被我误认为的 ‘眼睛’ 其实是 ‘阴’ ‘阳’ 符号的首端坐落在一起,而那些发散的头发则是符号的末端。
 
董宇辉补充说,这一造型与北京正负电子对撞机(BEPC)非常契合。北京正负电子对撞机自1988年以来,就一直在高能所运作。他告诉我:“当把 ‘阴’ ‘阳’ 结合在一起时,你就能制造出很多东西,比如:电子和正电子,以及其他物质。” 他接着说,这尊雕塑是基于李政道先生提出的一个概念。李政道先生出生于中国,因其在宇称不守恒方面的杰出工作与杨振宁 (Chen Ning Yang)先生一起分享了1957年的诺贝尔物理学奖。
 
董宇辉目前是高能所多学科研究中心的主任,他是一个充满活力的人,而且总是谈笑风生。现在,他又接受了一项新的任务,即担任中国最新型同步加速器——高能同步辐射光源(HEPS)项目的副经理。该光源是中国即将建造的第四个同步加速器,已于今年6月29日正式破土动工。
 
旋转加速
 
从本质上来说,同步辐射其实与同步加速器无关。同步辐射是经典电动力学的结果:根据经典电动力学定律,任何带电粒子在加速时都会向外辐射能量。电子在同步加速器的圆形轨道中运动时也同样遵循这一定律。 “同步辐射” 这个名字的由来是因为当粒子在圆形加速器中被加速时,束缚粒子进行圆周运动的磁场强度会随粒子动量的增加而同步增大,两者要在时间上要保持同步。
 
这一现象最早是在20世纪40年代末,由位于美国纽约斯克内克塔迪市的通用电气(GE)研究实验室的科学家们首次发现。那时该实验室正在进行一个世界级的加速器和固体物理学研究项目。当时,那里的一个小型GE同步加速器碰巧安装了一个玻璃真空腔,可以让科学家们直接观测到辐射光。自此之后,这类辐射光的名字上便永久地刻上了同步加速器的字样。
 
最初,同步辐射是科学家们所讨厌的现象。这是因为,当能量超过某一临界点时,任何注入电子的额外能量都会被迅速地辐射出去。如此一来,同步加速器的辐射光似乎限制了电子加速器的尺寸,也限制了其功率。但是,在随后的十年里,物理学家们逐渐意识到,同步辐射有可能被用作强X射线源和精细可调谐X射线源,进而用于衍射、光谱、成像以及其他用途。
 
位于美国加州的斯坦福直线加速器中心(SLAC)和其他地方的实验人员们逐步开始使用那些被高能物理学家们抛弃的电子储存环,或者是在它们没有被使用时暂时地借用。董宇辉风趣地说: “这些实验人员是像是高能物理学家身上的寄生虫。” 他对同步加速器的历史,以及北京正负离子对撞机都非常熟悉。可以说,这就是一个 “缺陷” 摇身一变,成为了实验工具的案例。
 
更新换代
 
类如斯坦福直线加速器中心的这种机器装置属于第一代同步辐射光源。随后,同步辐射光源的用户们便想要开发属于他们自己的专用机器,希望能够获得比使用高能物理学家制造的高能机器时还要更细的光束。更窄、更聚焦的电子束可以产生更加明亮的X射线。随后,“亮度” 便成为同步辐射的一个关键参数,它与电子束的强度及其发散方式有关。
 
在上世纪70年代,布鲁克海文国家实验室的两位加速器物理学家——雷纳特·查斯曼(Renate Chasman)和肯·格林(Ken Green),专门设计了一种磁体阵列,可以最大限度地提高电子束的亮度。第一代加速器,在配备上查斯曼-格林阵列后便升级成为第二代同步加速器光源。20世纪80年代开始使用的布鲁克海文国家同步加速器光源(NSL SI),以及位于英国达斯伯里市的同步辐射装置都属于第二代同步辐射光源。
 
后来,随着中国在全球科学舞台上不断崭露头角,她也渴望参与进来。因此,在1991年中国建成了北京同步辐射装置(BSRF),这是中国首个此类同步辐射光源。北京同步辐射装置使用了一种改进型查斯曼-格林阵列,但其电子源依然是来自于北京正负电子对撞机。董宇辉笑着说,这是一个具有不寻常混合性质的装置, “它是第一代光源,但却拥有着和第二代光源相同的参数。”
 
与全球其他50多个同步加速器相比,北京同步辐射装置虽然目前仍在运行,但其运力早已捉襟见肘,尤其是它只有14条束流线。这比位于法国格勒诺布尔市的欧洲同步辐射装置(European Synchrotron Radiation Facility)要少得多,其拥有40多条束流线,而布鲁克海文国家同步辐射光源则拥有近80条束流线。但即便如此,目前北京同步辐射装置仍在被高效、积极地使用着。在1995年,董宇辉获得了凝聚态物理的博士学位,而他博士期间的研究工作正是在这里开展,那也是这里开展的第一批实验之一。
 
第四代光源,是否将成为最后一代?
 
在20世纪90年代中期,第三代同步加速器光源就已经问世。第三代加速器由一些长而直的部件组成,这些部件用来容纳被称为 “摆动器” 和 “波动器” 的仪器。从20世纪60年代开始,科学家们就开始研发这种仪器,通过在加速器的直线部分使用一系列磁铁来振荡电子束,进而使其发出更多的辐射光,从而提高同步辐射的亮度。
 
即北京同步辐射装置之后,中国又先后建造了两个同步加速器。合肥拥有一个 “真正的” 第二代同步辐射装置,而上海也拥有了一个第三代同步辐射实验室。而正在建造的高能同步辐射光源将成为中国首个第四代同步加速器光源,它也将成为世界上仅有的几个此类装置之一。它将使用更先进的,被称为 “多弯消色差透镜” 的磁铁阵列,从而获得亮度更大的光束。
 
然而,这些新技术并不是建造第四代加速器面临的全部挑战。董宇辉告诉我说,给高能同步辐射光源选址本身就是一件非常困难的事情。设计人员希望能够寻找到一个临近北京的地点,这样便能免去实验人员的长途奔波。然而,该类装置又必须建造在人烟相对稀少的土地上,而且还得有稳定的岩石基础。在历时四年后,设计人员最终才在北京的东北部,靠近京密引水渠附近发现了一块合适的地方。京密引水渠是北京最主要的供水线路,它将密云的饮用水输送到北京。
 
高能同步辐射光源设计周长为1.3公里,拥有60 ~70条束流线和90多个实验站,预计将于2025年底建成。董宇辉介绍说: “我负责所有的束流线,所以我必须决定需要建造什么样的束流线,每个实验站又将进行何种实验,而且还得将所有这一切控制在预算之内。更重要的是所有这些都要在六年半的时间里全部完成!”
 
从植物到蛋白质
 
当第四代光源建造完成时,北京同步辐射装置可能将会被关闭。但就目前而言,它的使用仍然非常活跃。董宇辉带我四处参观,并展示了这里所支持的各项研究工作。在我参观的时候,北京正负电子对撞机正运行在高能物理模式下。事实上,大约75%的时间它都运行在该模式下。北京同步辐射装置的一些束流线也会在高能物理模式下工作,但由于配备了强屏蔽性的保护罩,这时,我们依然可以在周围自由行走。
 
当我们进入北京同步辐射装置的大楼时,一阵刺耳的警报声响起。这表明同步辐射装置正在进行电子注入,这也意味着此时所有人将被限制进入注入区域。董宇辉已经在这里工作了30年,早已习惯了这种嘈杂的声音,并未有什么反应。大概一分钟后,谢天谢地,嘈杂的警报声停了下来。
 
北京同步辐射装置的周长为240米,实验站都位于环外的一个靠近端口的扇区内。虽然只有14个站点,但该装置平均每年却要支持1800至2000名用户,他们几乎全部来自中国。在这里,有一堆堆用铝箔覆盖的管道和设备,还有一个个张贴着描述线站研究工作海报的橱窗栏。
 
“这个是X射线吸收精细结构(XFAS),” 董宇辉边走边介绍说,“那个是X射线衍射,那边是X射线荧光。和其他同步加速器一样,多年来,这里的用户群体也在不断的发生着变化。他说,起初大多数用户都是凝聚态物理学家。后来,蛋白质晶体学家们也开始对同步辐射产生了兴趣,他们逐渐意识到同步加速器发射出的X射线对于解决蛋白质结构问题非常有价值,当然前提是他们要有足够多的样本来放入光束中。
 
蛋白质晶体学和其他一些生命科学中的应用大大增多了在光源开展研究工作的生物学家们。然而,就在几年前,测定蛋白质结构问题的方法逐步被冷冻电镜技术(Cryo-EM)所取代。冷冻电镜技术使用独立的设备,不需要太多的样本就可以解决蛋白质结构问题,这完全优于同步辐射技术。冷冻电镜技术的发展在一定程度上减慢了蛋白质晶体学家在同步加速器用户群中扩增的速度。
 
随后,我和董宇辉在X射线荧光研究站停了下来。那里张贴了一张海报,上面呈现着该站研究的三种不同植物的照片。董宇辉解释说,这张海报展示了其中一种植物对铬的吸收情况。 “在这个线站,他们正在研究环境污染问题。这种植物来自中国南方的一个铬污染严重的地区,研究人员正在尝试使用某些真菌从土壤中吸取残留的铬。”
 
这另一张海报则是关于一株水稻。董宇辉解释道:“这株水稻来自贵州省,大约在3000年前的汉代,那里就存在着一个水银矿。我们之所以能推算出3000年前的情况,是因为可以从水稻中将其投射出来出来!虽然对水银的开采早就停止,但污染的程度仍然很严重。研究人员利用北京同步辐射装置的技术,来寻找降低水稻中汞毒性的方法,尤其是探索硒元素在其中的作用。
 
他继续解释说:“硒可以与汞结合,将其沉积在谷物的表面。然后通过机器抛光谷物的表面,进而除去这些颗粒。在这个线站,他们正在精确地定位汞与硒结合的具体位置。” 尽管这种谷物不会供人类或动物食用,但却可以用来生产工业酒精。董又说道:“要知道,在人口密集的地区,我们必须充分利用每一块耕地。”
 
和世界上的其他光源相同,北京同步辐射装置同时为学术和产业用户服务。产业界用户也可以免费使用这些装置,只要他们公开发表其研究结果;反之,如果工业用户选择不公开其研究结果,就必须支付全部费用。但从在同步辐射线站上开展研究工作的制药公司来看,中、西方对光源的应用还是存在着某些差异的。
 
在西方,例如像诺华(Novartis)、默克(Merck)和辉瑞(Pfizer)等公司,它们规模庞大、实力雄厚,足以从头到尾研发出一种新型药物。董宇辉说,药物开发最昂贵的部分就是临床试验, “这些大公司会在同步辐射装置上建造束流线,并有着与机器供应商相互合作的经验。而在中国,我们没有这么富有的公司。这里的公司只能承担起一些 ‘廉价’ 的研究,比如解出一个结构,并去检验它如何与其他分子发生相互作用。他们很想秘密地进行测试——有时候他们甚至不会告诉我们测试的是哪一种蛋白质。这就使得合作变得更加困难。”
 
转折点
 
董宇辉曾经告诉过我,在这里,他逐渐开始厌倦了那些例行公事般的流程:“用户来了,用户又走了,研究变得越来越复杂,研究人员不知道机器的细节,操作员不得不帮助他们。因此你不得不很少去注意机器本身,而是更多地去关注用户的需要。” 另外,董还对同步辐射源技术进展的缓慢感到失望,他说:“在本世纪,同步辐射技术几乎没有任何创新。”
 
在董宇辉看来,由于受到光束光斑和聚焦大小的限制,同步加速器似乎正在接近光学可能施加的亮度极限。在几年前,他就曾经说过,第四代同步加速器光源甚至被公认为 “终极存储环”。就高能同步辐射光源,他们将建立专门的研究中心,用以连接研究团队和机器的运行者,加强彼此之间的合作。董宇辉还提到了一些关于这些设施的新想法,比如康奈尔大学的研究人员提出的一种能量回收直线加速器装置。希望这些创新能够帮助同步加速器在之后的几十年里赢得一个更加璀璨的未来。
 
原文链接:https://physicsworld.com/a/chinas-next-big-thing-a-new-fourth-generation-synchrotron-facility-in-beijing/
 
▲本文为Physics World 专栏的第29篇。
 
版权声明
 
原文标题 “China's next big thing”,首发于2019年8月出版的Physics World,英国物理学会出版社授权《知识分子》翻译。中文内容仅供参考,一切内容以英文原版为准。未经授权的翻译是侵权行为,版权方将保留追究法律责任的权利。
 
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分类:科技
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