走近中國(guó)大科學(xué)工程
在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)西校區(qū)內(nèi)，矗立著我國(guó)第一個(gè)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)室——國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室，行人經(jīng)過(guò)學(xué)校臨近合作化路高架橋的大門(mén)時(shí)都可以看到它的身影。我國(guó)以真空紫外和軟X射線為主的專(zhuān)用同步輻射光源就坐落于此，熟悉這里的科研人員都親切地稱(chēng)它為“合肥光源”。
國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室于1983年經(jīng)國(guó)家計(jì)委批準(zhǔn)立項(xiàng)，由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)籌備并建設(shè)。作為中國(guó)第一臺(tái)專(zhuān)用同步輻射裝置，早在1989年4月，合肥光源就發(fā)出了第一束“神奇之光”。二十多年來(lái)，這個(gè)以同步輻射應(yīng)用和同步輻射光源研究為主的知識(shí)創(chuàng)新基地在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)持續(xù)發(fā)光發(fā)熱，為科技人員照亮未知的微觀世界。
同步輻射實(shí)驗(yàn)室主任陸亞林教授告訴科技日?qǐng)?bào)記者：“光是無(wú)處不在的，它也是人類(lèi)觀察及研究大自然最重要的工具。與常規(guī)光源相比，同步輻射有許多突出的優(yōu)點(diǎn)。它的亮度很高，頻譜寬闊、連續(xù)、平滑，利用單色器可從中選取所需的任何波長(zhǎng)的光，被廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、能源科學(xué)、信息科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域。合肥光源的真空紫外波段可用于許多研究，例如讓人們認(rèn)識(shí)超導(dǎo)等先進(jìn)材料以及蛋白質(zhì)的性質(zhì)和功能；X射線波段可用于蛋白質(zhì)、凝聚態(tài)物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)研究?！标憗喠指嬖V記者，“隨著科技成果的轉(zhuǎn)化，一些同步輻射技術(shù)已逐漸改變著人們的生活。”
中國(guó)人自己的先進(jìn)光源
在合肥光源周長(zhǎng)66米的電子儲(chǔ)存環(huán)內(nèi)，電子束被加速到所需能量，以接近光的速度在閉合環(huán)形的真空室中運(yùn)行，并在轉(zhuǎn)彎時(shí)放出同步輻射光，形成透視微觀世界的“利器”。
“同步輻射作為一種先進(jìn)的光源，在國(guó)家安全、能源、工程材料實(shí)時(shí)研究等方面發(fā)揮著關(guān)鍵的平臺(tái)支撐作用?！标憗喠终f(shuō)。
20世紀(jì)70年代末，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)在國(guó)內(nèi)率先提出建設(shè)電子同步輻射加速器。1977年，在一批老科學(xué)家的積極推動(dòng)下，同步輻射裝置的建造列入全國(guó)科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃。1978年春，中科院決定成立以中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)為主的同步輻射加速器籌備組，并于當(dāng)年3月在合肥召開(kāi)了第一次籌備會(huì)，討論我國(guó)建造電子同步輻射加速器的初步方案，這標(biāo)志著我國(guó)同步輻射事業(yè)的正式啟動(dòng)。
自那時(shí)起，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究員劉祖平就積極參與了國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室一期工程建設(shè)。作為加速器物理工作者，劉祖平全程參與了光源的設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試、運(yùn)行及改進(jìn)。
“早在1977年國(guó)家科學(xué)大會(huì)上，科學(xué)家就首次提出在我國(guó)建設(shè)同步輻射光源的設(shè)想?！眲⒆嫫礁嬖V記者，“那個(gè)時(shí)候國(guó)家沒(méi)有錢(qián)，要做的事很多，但仍然在這項(xiàng)基礎(chǔ)科學(xué)上大刀闊斧地投入?，F(xiàn)在回頭看，是十分不易的。而中科院也打破常規(guī)，將這一艱巨的任務(wù)交給中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，也成就了我國(guó)最早的一個(gè)依托高校的大科學(xué)裝置?！?/p>
說(shuō)起合肥光源人克服困難、大膽創(chuàng)新的故事，劉祖平覺(jué)得真是三天三夜也說(shuō)不完：“建設(shè)之初，世界上同步輻射光源中插入元件剛剛開(kāi)始使用，合肥光源人注意到了這一趨勢(shì)，設(shè)計(jì)了可放置插入元件的長(zhǎng)直線節(jié)。合肥光源在儲(chǔ)存環(huán)的12塊彎轉(zhuǎn)磁鐵都可引出特征波長(zhǎng)為24埃的同步輻射光，還有3個(gè)直線節(jié)可安裝插入元件并引出具有其他特征波長(zhǎng)的光，為裝置今后的發(fā)展預(yù)留了空間?！?/p>
改造升級(jí)再放異彩
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和用戶對(duì)光源需求的提高，合肥光源人強(qiáng)烈感受到，原有線站的發(fā)射度、亮度等指標(biāo)已難以滿足迅速發(fā)展的科研要求?！霸黾庸馐€站、改進(jìn)和提高光源性能勢(shì)在必行”。
1997年原國(guó)家計(jì)委批準(zhǔn)了“國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室二期工程”的立項(xiàng)，總投資1.18億元人民幣，在原有裝置的基礎(chǔ)上改造關(guān)鍵系統(tǒng)，增建1臺(tái)波蕩器和8條光束線及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)站。
作為二期工程的項(xiàng)目經(jīng)理兼總工程師，劉祖平告訴記者：“改造后的合肥光源運(yùn)行質(zhì)量和裝置技術(shù)水平比改造前大幅度提高。”
此后，合肥光源取得了一系列令人矚目的成績(jī)——2005年，齊飛教授帶領(lǐng)的研究組與美國(guó)、德國(guó)的科學(xué)家合作，首次在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了一系列的碳?xì)浠衔镅趸^(guò)程的重要中間體——烯醇，其研究成果以Science Express形式發(fā)表在當(dāng)年5月12日出版的國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)刊物《科學(xué)》雜志上。2007年，我國(guó)首顆探月衛(wèi)星“嫦娥一號(hào)”成功發(fā)射，并傳回首張?jiān)旅鎴D像，我國(guó)也從此邁入了具有深空探測(cè)能力的國(guó)家行列。而鮮為人知的是，“嫦娥一號(hào)”首次飛行任務(wù)攜帶的太陽(yáng)風(fēng)離子探測(cè)器，其正機(jī)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定和測(cè)試，就是在合肥光源上完成的；2008年，實(shí)驗(yàn)室還利用低溫等離子體放電技術(shù)完成了對(duì)星際等離子體環(huán)境的模擬，并在醇類(lèi)物質(zhì)的等離子體放電過(guò)程中探測(cè)到一系列的烯醇類(lèi)物質(zhì)，揭示了烯醇類(lèi)物質(zhì)作為一類(lèi)重要星際物質(zhì)的可能性，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表在天文學(xué)科頂級(jí)期刊《天體物理學(xué)雜志》上……
“受到合肥光源儲(chǔ)存環(huán)聚焦結(jié)構(gòu)、光源亮度和光子通量的先天限制，光源品質(zhì)成為限制國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)研究同步輻射應(yīng)用技術(shù)，發(fā)展創(chuàng)新的、先進(jìn)的同步輻射實(shí)驗(yàn)方法的‘瓶頸’，也無(wú)法適應(yīng)中國(guó)科學(xué)事業(yè)迅速發(fā)展需要，無(wú)法滿足國(guó)家科技發(fā)展的重大戰(zhàn)略需求。”陸亞林介紹說(shuō)，“因此，自2010年起，在中科院和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的共同支持下，國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室啟動(dòng)了‘重大維修改造項(xiàng)目’工程。改造后的合肥光源已達(dá)到國(guó)際同類(lèi)輻射裝置的先進(jìn)水平，為基礎(chǔ)科學(xué)及應(yīng)用科學(xué)提供最先進(jìn)的研究平臺(tái)。”
令他感到欣慰的是，升級(jí)改造項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室工程建設(shè)隊(duì)伍堅(jiān)持以自主創(chuàng)新為主，采用高水平的集成創(chuàng)新，艱苦拼搏，攻克了一個(gè)個(gè)技術(shù)難關(guān)，實(shí)現(xiàn)裝置的所有性能指標(biāo)全面超越了設(shè)計(jì)值，并達(dá)到準(zhǔn)三代光源的水平?！昂戏使庠粗卮缶S修改造項(xiàng)目主要建設(shè)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存環(huán)直線節(jié)數(shù)目增加到8個(gè)，束流發(fā)射度降低到40納米弧度，直線加速器滿能量注入，首批完成從插入元件引出的5條光束線及實(shí)驗(yàn)站的改造建設(shè)，從而提高合肥光源的整體性能，充分發(fā)揮合肥光源在真空紫外能區(qū)的優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)我國(guó)在若干領(lǐng)域的科學(xué)研究達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先或國(guó)際先進(jìn)水平?！?/p>
“未來(lái)我們希望它能夠?yàn)榘不照诖罅Πl(fā)展的新能源汽車(chē)、生物醫(yī)藥、新材料等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)提供科研支撐，進(jìn)一步推動(dòng)中科院合肥大科學(xué)中心的籌建工作。”陸亞林說(shuō)。
神奇之光璀璨奪目
“我們看到的火焰里面有成千上萬(wàn)的化學(xué)反應(yīng)，這些化學(xué)反應(yīng)決定了火焰發(fā)熱的效率、污染物排放等，而發(fā)動(dòng)機(jī)的性能等都與燃燒有關(guān)?！闭趪?guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室燃燒實(shí)驗(yàn)站做實(shí)驗(yàn)的清華大學(xué)燃燒能源中心熱能工程系研究院楊斌博士告訴記者，“為了更好地了解燃燒的本質(zhì)并控制它，我們要了解它整個(gè)過(guò)程中的各方面機(jī)理。這條同步輻射光束線可以將火焰電離，我們就可以對(duì)其進(jìn)行分析和診斷，雖然對(duì)火焰的研究還有色譜和激光光譜等其他手段，每種方法都有它的好處和局限性，但在同步輻射實(shí)驗(yàn)室里我們可以對(duì)火焰的組分進(jìn)行觀察，并做出一些定量的判斷，這是目前最好的手段?！睏畋笳f(shuō)。楊斌的研究方向是生物質(zhì)燃料——如何將秸稈、地溝油、廢棄物等再利用，讓生物質(zhì)能源利用得更加充分。
如今，合肥光源的線站已全面升級(jí)，楊斌和他的三個(gè)學(xué)生已經(jīng)在這里進(jìn)行了一個(gè)星期的實(shí)驗(yàn)。為了了解火焰組分的各項(xiàng)指標(biāo)，他們還會(huì)繼續(xù)在這里待上一個(gè)星期。據(jù)陸亞林介紹，合肥光源吸引了來(lái)自國(guó)內(nèi)外的研究者，光源長(zhǎng)期可靠地穩(wěn)定運(yùn)行為廣大用戶提供了良好的實(shí)驗(yàn)條件和手段。
“合肥光源的研究范圍很廣泛，如對(duì)超導(dǎo)材料之類(lèi)的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，可廣泛應(yīng)用于材料、能源基礎(chǔ)、物質(zhì)及生命科學(xué)，以及環(huán)境等領(lǐng)域。這其中不少研究，還跟市民的生活息息相關(guān)?！标憗喠终f(shuō)，“比方說(shuō)大家都很熟悉的PM2.5。這種污染物是如何形成的很多人都不清楚，其中一個(gè)誘因是汽車(chē)尾氣通過(guò)紫外光的照射，并與之發(fā)生反應(yīng)后形成PM2.5。在科大國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室里剛好能夠使用這個(gè)波段的光來(lái)模擬PM2.5的產(chǎn)生過(guò)程，為研究空氣污染物提供最直接的方法。”
國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室還為國(guó)家重大基礎(chǔ)研究計(jì)劃（如納米科技計(jì)劃、結(jié)構(gòu)基因組研究計(jì)劃等）、“863”研究項(xiàng)目、國(guó)防建設(shè)急需的研究項(xiàng)目以及其他學(xué)科的創(chuàng)新性研究工作提供了一流的研究平臺(tái)；并充分發(fā)揮了合肥光源多學(xué)科交叉的特點(diǎn)，開(kāi)拓同步輻射新的應(yīng)用領(lǐng)域，促進(jìn)原創(chuàng)性工作的開(kāi)展，促進(jìn)用戶取得具有國(guó)際影響的研究成果；還與產(chǎn)業(yè)建立合作關(guān)系，尋求產(chǎn)業(yè)建立自己的專(zhuān)用設(shè)備或生產(chǎn)基地。
“作為中國(guó)重要的同步輻射研究中心之一，合肥光源已成為以同步輻射應(yīng)用和同步輻射光源研究為主的知識(shí)創(chuàng)新基地、人才培養(yǎng)基地及發(fā)展高新技術(shù)的創(chuàng)新基地，為國(guó)內(nèi)外科學(xué)家提供性能優(yōu)良的實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)，未來(lái)我們會(huì)繼續(xù)發(fā)光?！标憗喠终f(shuō)。（記者 劉曉瑩）