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潺潺的流水和堅硬的鋼鐵，為何具有如此大的差別？事實(shí)上，物質(zhì)不同的特性是由它們各自不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)所決定的。弄清物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，是現(xiàn)代科學(xué)研究的一個基本課題。
    
    1895年，德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，它穿過可見光不能穿透的物質(zhì)，把人類的視線帶進(jìn)了微觀世界，讓人們看清了分子的構(gòu)成。然而，構(gòu)成分子的原子乃至構(gòu)成原子的更小粒子，仍然處在模糊的黑暗中。而同步輻射光的發(fā)現(xiàn)，徹底打開了人類的眼界。如果說X光是一支蠟燭，讓人類看到了微觀世界的模糊影像，那么，同步輻射光就是光芒萬丈的太陽，讓整個微觀世界終于顯露出潛藏的復(fù)雜構(gòu)造。
    
    目前位居世界先進(jìn)行列的第三代同步輻射裝置——“上海光源”的正式建成運(yùn)行，為我國多學(xué)科前沿研究和高新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用，提供了先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)平臺，將為提升我國的綜合科技實(shí)力,作出不可替代的重要貢獻(xiàn)。
    
    過去四年多，一只巨大的科技“鸚鵡螺”靜靜地在浦東張江生長著，悄悄地孕育著體內(nèi)的“神奇之光”。昨天，我國迄今為止最大的大科學(xué)裝置和大科學(xué)平臺、世界上性能最好的第三代中能同步輻射光源之一——“上海光源”終于正式璀璨登臺亮相了。
    
    生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、化工、醫(yī)藥、地質(zhì)、微電子……我國幾乎所有學(xué)科的科學(xué)家，都熱切地期盼著這一天。具有建設(shè)60多條光束線的能力、可提供從紅外光到硬X射線的各種同步輻射光一，上海光源能同時容納成千上百名來自全國乃至全世界的科學(xué)家和工程師在這里進(jìn)行基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)。
    
    投資12億元、歷經(jīng)52個月，就為了得到幾束同步輻射光？為什么要大費(fèi)周章地進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)、大興土木、建一個專門設(shè)備才能得到它？現(xiàn)在，就帶你進(jìn)入“鸚鵡螺”中探尋一番。
    
劇院  獨(dú)一無二的“鸚鵡螺”
    
    浦東張江，張衡路239號。一個巨大的鸚鵡螺式的建筑，銀白鋁板與藍(lán)色保溫玻璃組成相間的條紋。這里是一座特殊的劇院，由于在這里表演的“演員”都是我們?nèi)庋劭床灰姷碾娮訄F(tuán)，所以對劇院也就有了很多特殊的要求。
    
    首先，振動一定要輕，建筑上稱為微振動。因?yàn)殡娮雍苄�，振幅稍大，就會撞上真空管壁“香消玉殞”，而同步輻射光更敏感，其聚焦后的光斑會�?毫米以下，即使抖動只有幾微米，也會讓光斑無法對準(zhǔn)樣品。所以，對于劇院的要求是當(dāng)振動頻率在1～100赫茲時，引起的振幅不可超過0.3微米——這只相當(dāng)于潮汐輕輕拍打沙灘引起的振動，超過這個幅度，對同步輻射來說，就無異于一場地震了。
    
    要求夠苛刻了，可“鸚鵡螺”還造在沖積平原的軟土上。上海的軟土地基早就出了名，而成陸較晚的張江，地基更是軟得出奇——即使一輛載重不大的卡車開過，也能引起十幾至幾十微米的震動。更要命的是，整個“鸚鵡螺”底面有上萬平方米，每個地方都必需達(dá)到微振動的要求。
    
    上海光源的建設(shè)者，在進(jìn)行了充分的調(diào)研、現(xiàn)場實(shí)測和計算機(jī)模擬計算后，終于想出了對策：打下2100根近50米長的鉆孔灌注樁，再在樁底灌上水泥，然后在樁頂打上鋼筋混凝土板，把上萬平方米的地盤箍得固若金湯，樁上的圓形底板也特別加厚到1.35米。經(jīng)最終實(shí)測，安靜時振幅不到0.15微米，嘈雜時只有0.25微米左右。
    
    其次，地基微沉降也必須小于1毫米，而且整個建筑的沉降必須非常均勻，實(shí)驗(yàn)大廳每年每10米的沉降差不得超過0.35毫米，儲存環(huán)更要低于0.25毫米，而且建成3年后，這個數(shù)值還要小于0.1毫米。要知道，一般建筑沉降都是以厘米來計的。上海光源的建設(shè)者只好再次絞盡腦汁，用“大馬拉小車”的辦法，滿足了這些苛刻的要求：澆筑承重量大的樁，使每根樁承載的重量減少，更不容易被壓彎腰。最后，干脆把“馬”和“車”捆在了一塊兒：把大廳底板和鋼筋水泥樁澆筑成一個整體，這樣你拉我，我?guī)湍�，不僅沉得少，而且沉得均勻了。目前實(shí)測已達(dá)到了運(yùn)行初期的指標(biāo)。
    
    最后，說說“鸚鵡螺”的外殼。那可不是徒具外貌。除了外殼分八個區(qū)域，每個區(qū)域中雙曲面鋁板形狀塊塊不同外，由于實(shí)驗(yàn)大廳要求溫度變化不得大于2℃，因此屋面采用保溫、防水一體化處理，玻璃也采用了“透光不透熱”的特殊工藝。目前實(shí)測大廳溫度穩(wěn)定度達(dá)到1℃。
    
    另外，輻射防護(hù)也是一大難題。為了不讓輻射劑量泄漏，在建造直線加速器、增強(qiáng)器、儲存環(huán)隧道時，墻體都很厚，而且墻面不得有大于0.15毫米垂直墻面的貫穿裂縫，建成后的墻面沒有裂縫，環(huán)境劑量實(shí)測結(jié)果是本底水平——與建造光源前幾乎一致。光束線末端的實(shí)驗(yàn)站，更采用了厚實(shí)的鉛板搭建，并且拼接得密絲合縫，還配上了多重安保措施，確保萬一發(fā)生意外，也不會有輻射泄漏。
    
舞臺  超高真空精密圓環(huán)
    
    來看看上海光源這座劇院里超級龐大而復(fù)雜的舞臺裝置，電子就在這里以飛速旋轉(zhuǎn)的舞步，發(fā)射出點(diǎn)亮科學(xué)家夢想的同步輻射光。
    
    同步輻射裝置由同步輻射光源及各種實(shí)驗(yàn)線站構(gòu)成。光源首先要有產(chǎn)生電子并使其獲得能量的加速器，然后讓電子在儲存環(huán)中穩(wěn)定運(yùn)行并發(fā)射出同步輻射光。這些光經(jīng)過光束線輸送到建于電子儲存環(huán)外與光束線相接的各實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。上海光源就是由直線加速器、增強(qiáng)器、儲存環(huán)和多條光束線實(shí)驗(yàn)站構(gòu)成。
    
    到目前為止，同步輻射裝置已經(jīng)歷三代。第一代是與高能物理研究兼用的，目前世界上正在使用的約有17臺，其中包括中國科學(xué)院高能物理研究所的正負(fù)電子對撞機(jī)。第二代光源是專為同步輻射應(yīng)用而設(shè)計的，上世紀(jì)80年代以來，世界上已先后建成23臺，我國合肥國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室的光源即屬此類。隨著探索微觀世界的進(jìn)程越來越深入，迫切需要亮度更高、性能更優(yōu)良的光源。從1994年起到2008年底，世界上已有20臺第三代同步輻射光源在運(yùn)行，還有10臺正在建造和設(shè)計中。
    
    電子從出發(fā)的那一刻起，直到在儲存環(huán)中穩(wěn)定發(fā)光，包括引出的光束，都必須在非常穩(wěn)定、密閉的超高真空管道中行進(jìn)。在超高真空管道外，排列著大小各異、隊形整齊的電磁鐵，由它們產(chǎn)生的磁場來給電子約束尺寸和牽引方向，同時用高頻加速腔給電子加速和補(bǔ)充能量。此外，圍繞“舞臺”的還有諸多高質(zhì)量的光機(jī)電探測儀器和冷卻溫控等各種設(shè)備，為電子們成功登上舞臺、安心表演服務(wù)，并為其表演評價打分。所有這些設(shè)備的安裝擺放，無論朝向、上下左右的位置，其精度都達(dá)到十萬分之一米。
    
直線加速器：“演員”上場
    
    這里是電子出發(fā)的地方。電子槍能夠根據(jù)需求，不間斷地打出電子束。電子先在直線加速器中“加速跑”到150MeV（兆電子伏特）的能“量。在這段30米“加速跑”過程中，電子要跑過4根微波加速管、2個聚束器和3個聚焦單元。
    
    這條跑道造起來真不容易，每根加速管有90個腔體組成，每個腔體的直徑、孔、弧度都各不相同，都要一一優(yōu)化設(shè)計。不過，真正的難題是聚束器。
    
    上海光源首次在國內(nèi)采用并研制成功了高Q無氧銅次諧波聚束器，可以讓打出來的電子束盡快聚成團(tuán)。原理很巧妙，在聚束器的腔體里通入微波，控制好時間，讓先到的電子正好碰到微波的波谷，使電子的速度減慢，而后到的電子趕上微波的波峰，加速一把，于是電子的隊形就會收緊，緊接著再經(jīng)過另一個聚束器，電子束基本就能抱成一團(tuán)了。
    
    研制這種儀器，可是件繁難的活兒，因?yàn)楫?dāng)高能電子打到聚束器中無氧銅腔體壁上時，會激發(fā)出金屬身上的電子，而激發(fā)出的電子落下時，又會繼續(xù)打出電子，直到整個聚束器中都亂成一團(tuán)，這就是電子倍增效應(yīng)。為了排除電子倍增效應(yīng)的干擾，工程科技人員仔細(xì)設(shè)計了腔體的形狀，使電子不容易打到壁上，又在腔體外面加上磁鐵，讓被激發(fā)出的電子無法繼續(xù)激發(fā)別的電子，消除了干擾。
    
增強(qiáng)器：幫助電子在半秒鐘內(nèi)完成40萬圈加速
    
    經(jīng)過第一階段的直線加速，電子就要進(jìn)入周長180米環(huán)形的“第二跑道”。在這里，電子需在0.25秒內(nèi)迅速跑完40萬圈，將能量驟升20多倍，達(dá)到3.5吉電子伏特，然后進(jìn)入儲存環(huán)，正式登臺發(fā)出同步輻射光。
    
    修建這段“跑道”，也是件高難度的活兒。首先，“跑道”的入口和出口要求非常高。電子從直線加速器進(jìn)入增強(qiáng)器，需要有個磁場指引方向，但電子一進(jìn)入增強(qiáng)器，這個磁場必須在電子跑完約半圈，即0.2微秒之前徹底消失，否則會在第二圈把電子“趕”出跑道。同樣，當(dāng)電子出增強(qiáng)器時，出口處的磁場也必須瞬間建立。這些快脈沖磁鐵和提供脈沖的電源，全部由工程人員自行研制成功。
    
    其次，電子在40萬圈的加速跑中，每一步的磁場強(qiáng)度都必須非常精確而穩(wěn)定，稍有偏差，電子就可能跑丟。而磁鐵中的磁場，都是靠電源來控制其產(chǎn)生和消失，電子在增強(qiáng)器里的活動，決定了增強(qiáng)器電源必須同時具備大象和小鼠的本領(lǐng)——峰值功率強(qiáng)大且轉(zhuǎn)換極其靈敏。本領(lǐng)這么大的電源設(shè)備，如果全部從國外進(jìn)口，不僅價格昂貴，而且國外此類電源質(zhì)量也并不過硬。于是，2005年底，工程科研人員決定自己開發(fā)高性能大功率直流和動態(tài)磁鐵電源。通過招投標(biāo)，他們找到了一家國內(nèi)廠商，共同研發(fā)生產(chǎn)。最后，整個上海光源的動態(tài)磁鐵電源全部實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，價格比全進(jìn)口降低了一半。和工程科技人員一起高興的，是這家電源廠家——這輪合作下來，他們的技術(shù)能力扶搖直上，敢于向以前從不敢問津的高端市場進(jìn)軍了。
    
    為了能讓電源控制非常精確，科研人員還與國內(nèi)廠家合作，開發(fā)出了穩(wěn)定度達(dá)到十萬分之一的高精度數(shù)字化電源控制器，這種控制器能在1秒鐘里精確開關(guān)電源2萬次。它不但性能好、精度高，而且體積小，便于維護(hù)。驅(qū)動整個光源上千塊磁鐵的700多臺各類電源，全部采用了數(shù)字化電源控制器，其中約有一半為國產(chǎn)控制器。
    
儲存環(huán)：長432米的真正舞臺
    
    電子能量達(dá)到3.5吉電子伏特，就被引出增強(qiáng)器，登上儲存環(huán)的“舞臺”，在跳起歡快圓舞曲的同時，不斷發(fā)出同步輻射光。在這個周長432米的大圓環(huán)里，可以24小時不間斷地為60多條光束線供光。
    
    不過，電子在這里的一舉一動都非常有講究。從進(jìn)門說起，電子進(jìn)入儲存環(huán)的時候就得非常小心，因?yàn)橐呀?jīng)有別的電子束在儲存環(huán)中運(yùn)行，后來者就得小心翼翼地“溜”進(jìn)去，盡量不去打擾已經(jīng)登臺表演的電子束，否則“觀眾席”上的用戶就會提意見：怎么光斑不穩(wěn)定了？為了讓表演的電子數(shù)目（電子流強(qiáng)）保持恒定，還需要采用先進(jìn)的“恒流注入”技術(shù)。
    
    所謂“恒流注入”就是不斷向儲存環(huán)內(nèi)補(bǔ)充電子束流，保持同步輻射光的強(qiáng)度穩(wěn)定。因?yàn)殡娮釉诓粩喟l(fā)出同步輻射時，也會有極少量的電子“香消玉殞”，電子流強(qiáng)在幾十個小時內(nèi)可能減少一半，這就需要不斷有高能量的新電子補(bǔ)充進(jìn)來。采用“恒流注入”之前，同步輻射裝置只能將電子一次性注入儲存環(huán)，待流強(qiáng)衰減到一定程度后，再全部清除，重新注入新電子。而采用這種技術(shù)后，就能得到24小時不間斷的等強(qiáng)度同步輻射光。原本，上海光源打算在二期才實(shí)現(xiàn)“恒流注入”，不過科研人員提早在一期就基本實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。
    
    儲存環(huán)中的超高真空室，是電子真正的舞臺。上海光源采用的是國內(nèi)首次研制的不銹鋼真空室，與常用的鋁真空室相比，可謂價廉物美。由于預(yù)算和工期限制，工程不可能采用價格昂貴、加工周期長的鋁真空室，又由于工程設(shè)計要求，部分真空室必須采用不銹鋼材料。于是，工程經(jīng)理部決定自主研制不銹鋼真空室。當(dāng)時，國外專家甚至認(rèn)為中國很難研制并按時批量加工總長為432米的儲存環(huán)不銹鋼真空室。但“上海光源”的建設(shè)者真的做到了，而且電子已在里面穩(wěn)定地跳起了圓圈舞。
    
觀眾席  科學(xué)實(shí)現(xiàn)夢想的地方
    
    所有前面的努力，都是為了這里的精彩，而這里也將是最為搶眼的地方，因?yàn)榭茖W(xué)家能夠在這里實(shí)現(xiàn)自己的科學(xué)思想，做出驚人的成績。在同步輻射裝置的光束線站，誕生了獲得1997年、2003年、2006年諾貝爾化學(xué)獎的科研成果。
    
    同步輻射裝置的光束線和實(shí)驗(yàn)站，是整個“劇院”的觀眾席，但這里的觀眾并不直接看電子的“圓舞曲”，也不直接看電子束拋射出的同步輻射光（因?yàn)榻^大部分不屬于可見光范圍，又由于能量太高，不能直接接觸眼睛），而是利用光束線引出的同步輻射光，在實(shí)驗(yàn)站中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，他們觀看的是通過攝像頭傳輸出來的實(shí)驗(yàn)過程，以及通過各種儀器、軟件得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，比如看蛋白質(zhì)如何折疊、肌肉纖維如何收縮、晶體如何生長等。
    
    從儲存環(huán)的切線方向伸出來的一條條光束線，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)用戶的不同需求，把包含了各種波段的同步輻射光過濾成用戶需要的光源，比如硬X射線、軟X射線等等。這件事情主要就由單色器來完成。上海光源首次研制成功了國產(chǎn)變包含角平面光柵單色器，其能量分辨率超過1萬，性能指標(biāo)已獨(dú)步世界。
    
    你一定很好奇，在這些光束線末端的實(shí)驗(yàn)站上，到底能做些什么？能看到些什么？上海光源雖然尚未正式對外開放，但在試運(yùn)行階段，已經(jīng)得到了一些有趣的結(jié)果。
    
    在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用線站，已經(jīng)看到了7億年前胚胎化石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、拍下了蝗蟲活體的呼吸透視圖、看到了腫瘤組織的血管分布，甚至小兒胎發(fā)粗如樹皮的表面；
    
    在硬X射線微聚焦線站，引出的光特別亮，聚成的光斑特別小，不到2微米，以后還能縮小到0.2微米以下，能看清幾百納米的細(xì)微結(jié)構(gòu)，可以用來分析大氣污染微粒上的元素分布、解析細(xì)胞內(nèi)部全部元素分布。用它來做掃描成像，就能拍出非常精細(xì)的CT圖像；……“上海光源”的設(shè)計使用壽命為30年。30年，“鸚鵡螺”中將上演多少精彩“劇目”，誕生多少令人怦然心動、終生銘記的時刻。東海之濱，這個發(fā)出神奇之光的地方，必將照亮我國科研的創(chuàng)新之路。
    
同步輻射光源主體結(jié)構(gòu)
    
    一般由全能量注入器（包括電子直線加速器和增強(qiáng)器）、電子儲存環(huán)、光束線和實(shí)驗(yàn)站4部分構(gòu)成。
    
    電子由直線加速器一端的電子槍打出，在微波的作用下加速和提高能量，再注入環(huán)形增強(qiáng)器中繼續(xù)提高能量。當(dāng)電子的能量達(dá)到指標(biāo)時，即被注入到電子儲存環(huán)中。這時，電子在其運(yùn)動軌跡的切線方向上，釋放出穩(wěn)定的同步輻射光。利用特定的光學(xué)系統(tǒng)，對光束線中的同步輻射光進(jìn)行篩選和處理，將滿足各學(xué)科研究需要的各類同步輻射光輸送到實(shí)驗(yàn)站，供實(shí)驗(yàn)使用。
    
相關(guān)鏈接  “上海光源”放出的是什么光？
    
    天文學(xué)家借助無線電波，探索遙遠(yuǎn)的未知星球；士兵借助雷達(dá)的微波，偵察到幾百公里外的飛機(jī)；醫(yī)生通過X光，透視病人的骨骼和內(nèi)臟……“上海光源”產(chǎn)生的則是同步輻射光。
    
同步輻射光是如何被發(fā)現(xiàn)的？
    
    1947年，美國科學(xué)家在用同步高能加速器做實(shí)驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)：在真空環(huán)境中，以接近光速運(yùn)動的電子在改變運(yùn)動方向時，會沿運(yùn)動的切線方向釋放出明亮的藍(lán)白色光。由于這種電磁波來源于同步加速器，因而被稱為同步輻射光。
    
同步輻射光有什么特點(diǎn)？
    
    同步輻射光又亮又直，強(qiáng)度比X光高上萬倍、亮度比X光高上億倍，且非常穩(wěn)定，從紅外光到硬X射線都有，只要進(jìn)行適當(dāng)過濾，就能得到所需波長非常純凈的光。它可以做許多在常規(guī)光源下無法進(jìn)行的研究。下圖為同步輻射光與普通X光的精度比較。
    
    “上海光源”是性能居世界一流水平的中能同步輻射裝置，現(xiàn)階段與之比肩的還有3臺裝置，分別是英國的DIAMOND光源、法國的SOLEIL光源和西班牙的ALBA光源——


【來源：新華社】浦東寫字樓網(wǎng)