2009年4月,我國(guó)迄今為止最大最先進(jìn)的科學(xué)裝置,位居世界先進(jìn)行列的第三代中等能量的同步輻射光源——“上海光源”終于正式建成運(yùn)行了。什么是同步輻射光源?為什么要耗資12億元?dú)v經(jīng)52個(gè)月建設(shè)一個(gè)如此巨大的高科技工程?

光的家族

我們的眼睛之所以能看見(jiàn)物體,是由于物體發(fā)出的光線或物體反射的光線進(jìn)入了我們的眼睛。我們能看見(jiàn)點(diǎn)燃的蠟燭和初升的太陽(yáng),是因?yàn)樗鼈兡馨l(fā)光;我們能看見(jiàn)綠水青山和十五的月亮,是因?yàn)樗鼈兡芊瓷涮?yáng)光。

光是一種電磁波。光的顏色不同,是因?yàn)樗鼈兊牟ㄩL(zhǎng)不同。光的波長(zhǎng)通常用納米來(lái)表示,一納米為十億分之一米。在我們常見(jiàn)的紅、橙、黃、綠、青、靛、紫七種顏色的光中,紅光的波長(zhǎng)最長(zhǎng),有700納米,紫光的波長(zhǎng)最短,約400納米。從紅光到紫光,這些人眼能看見(jiàn)的光是“可見(jiàn)光”,超出這個(gè)波長(zhǎng)范圍的光,如, 波長(zhǎng)比紅光更長(zhǎng)的紅外線,比紫光更短的紫外線,人的眼睛就看不見(jiàn)了。

如果我們把電磁波家族的成員按波長(zhǎng)從長(zhǎng)到短、由左向右排個(gè)隊(duì),那么位于最左端即波長(zhǎng)最長(zhǎng)的是無(wú)線電波,接著是微波、紅外線、可見(jiàn)光、紫外線、軟X射線、硬X射線,而位于最右端即波長(zhǎng)最短的是伽瑪射線。盡管除了可見(jiàn)光其他的電磁波我們都看不見(jiàn),但它們卻是實(shí)實(shí)在在存在的。天文學(xué)家借助無(wú)線電波來(lái)探索遙遠(yuǎn)的未知星球;士兵借助雷達(dá)的微波能偵察到幾百千米外的飛機(jī);而紅外線理療對(duì)人體組織產(chǎn)生的熱作用和促進(jìn)再生作用已為臨床應(yīng)用所肯定。眾所周知,適量的紫外線對(duì)人體有許多好處,但過(guò)度接觸紫外線會(huì)燒傷皮膚,引發(fā)白內(nèi)障;醫(yī)生通過(guò)X射線透視病人的骨骼和內(nèi)臟,利用伽瑪射線為病人做手術(shù)。

同步輻射光

科學(xué)家告訴我們,利用光能分辨的最小物體,和光的波長(zhǎng)相近。例如,利用無(wú)線電波能分辨的最小物體約一個(gè)棒球的大小,而利用可見(jiàn)光則能看清細(xì)胞的結(jié)構(gòu)。1895年,德國(guó)物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線,它能穿透可見(jiàn)光無(wú)法穿越的物質(zhì),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。

1947年,美國(guó)科學(xué)家在用同步高能加速器做實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn):在真空環(huán)境中,以接近光速運(yùn)動(dòng)的電子在改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí),會(huì)沿運(yùn)動(dòng)的切線方向釋放出明亮的藍(lán)白色光。由于這種電磁波來(lái)源于同步加速器,因而被稱(chēng)為“同步輻射光”。令世人矚目的“上海光源”是目前位居世界先進(jìn)行列的第三代同步輻射裝置。它產(chǎn)生的同步輻射光又亮又直,強(qiáng)度比X光高上萬(wàn)倍、亮度比X光高上億倍,且非常穩(wěn)定。其波長(zhǎng)范圍從紅外光到硬X射線都有,只要進(jìn)行適當(dāng)過(guò)濾,就能得到所需波長(zhǎng)的非常純凈的光。

好奇的你一定會(huì)問(wèn),利用這些光線到底能做些什么?能看到些什么?在“上海光源”的試運(yùn)行階段,生物學(xué)家利用它產(chǎn)生的同步輻射光,看到了7億年前胚胎化石的內(nèi)部結(jié)構(gòu),拍下了蝗蟲(chóng)活體的呼吸透視圖,看到了腫瘤組織的血管分布,甚至看到了嬰兒胎發(fā)粗如樹(shù)皮的表面。如果說(shuō)X光是一支蠟燭,讓人類(lèi)看到了微觀世界的模糊影像,那么,同步輻射光就是太陽(yáng),讓整個(gè)微觀世界終于顯露了它復(fù)雜的構(gòu)造。

電子從這里出發(fā)

同步輻射光好神奇,但要獲得它可不容易。同步輻射裝置由直線加速器、增強(qiáng)器、儲(chǔ)存環(huán)、光束線和實(shí)驗(yàn)站組成。其中,直線加速器是電子出發(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作30米的“加速跑”,使其能量增大到150兆電子伏特。然后,進(jìn)入增強(qiáng)器,在這個(gè)周長(zhǎng)180米的環(huán)形“第二跑道”里,電子需要在0.25秒內(nèi)迅速跑完40萬(wàn)圈,使能量驟增20多倍。再被引出增強(qiáng)器,進(jìn)入儲(chǔ)存環(huán)。當(dāng)電子在這個(gè)周長(zhǎng)432米的大圓環(huán)里,以接近光速運(yùn)行時(shí),便可以24小時(shí)不間斷地,通過(guò)60多條光束線,為實(shí)驗(yàn)站提供穩(wěn)定的同步輻射光。

電子從出發(fā)的那一刻起,直到在儲(chǔ)存環(huán)中穩(wěn)定發(fā)光,然后通過(guò)光束線引出,這一系列過(guò)程都必須在非常穩(wěn)定的密閉的超高真空管道中進(jìn)行。在超高真空管道外,排列著大小各異、隊(duì)形整齊的電磁鐵,由它們產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)給電子約束尺寸和牽引方向;同時(shí)用高頻加速腔給電子加速和補(bǔ)充能量。此外,還有許多探測(cè)儀器和冷卻溫控等設(shè)備。所有這些設(shè)備的安裝擺放,無(wú)論朝向、上下左右的位置,其精度都必須達(dá)到十萬(wàn)分之一米。

從儲(chǔ)存環(huán)的切線方向伸出來(lái)的一條條光束線,可以根據(jù)不同的需求,把包含了各種波長(zhǎng)的同步輻射光過(guò)濾成所需波長(zhǎng)的光,例如軟X射線或硬X射線等。這個(gè)工作主要就由單色器來(lái)完成。在實(shí)驗(yàn)站工作的科學(xué)家,并不直接觀看同步輻射光,因?yàn)樗鼈兘^大部分不屬于可見(jiàn)光范圍,而且能量極高,不能直接接觸眼睛。他們利用光束線引出的同步輻射光進(jìn)行實(shí)驗(yàn),他們觀看的是通過(guò)攝像頭傳輸出來(lái)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程,例如,蛋白質(zhì)如何折疊、肌肉纖維如何收縮、晶體如何生長(zhǎng)等等。他們分析研究的是通過(guò)各種儀器和軟件搜集的數(shù)據(jù)。

好大一只“鸚鵡螺”

位于浦東張江高科技園區(qū)的“上海光源”,是一個(gè)銀白色鋁板與藍(lán)色保溫玻璃相間的巨大的“鸚鵡螺”式的建筑。這是一座非常特殊的建筑,由于同步輻射光是由在真空中高速運(yùn)動(dòng)的電子在改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)產(chǎn)生的,因此整個(gè)建筑的振動(dòng)必須極其微小。當(dāng)振動(dòng)頻率在1～100赫茲時(shí),引起的振幅不可超過(guò)0.3微米,否則,運(yùn)動(dòng)中的電子就會(huì)撞上真空管壁“香消玉殞”,聚焦后不到1毫米的同步輻射光斑就會(huì)無(wú)法對(duì)準(zhǔn)樣品。

其次,地基微沉降必須小于1毫米,而且整個(gè)建筑的沉降必須非常均勻。實(shí)驗(yàn)大廳每年每10米距離的沉降差不得超過(guò)0.35毫米,儲(chǔ)存環(huán)更要低于0.25毫米,而且建成3年后,這個(gè)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(lái)計(jì)的。要在上海這樣的沖積平原的軟土上,建造要求如此苛刻的巨大“鸚鵡螺”,其難度可想而知。

此外,整個(gè)實(shí)驗(yàn)大廳的溫度變化不得大于2℃。為此,對(duì)“鸚鵡螺”表面采用了保溫、防水一體化處理,所用的藍(lán)色玻璃是經(jīng)特殊的“透光不透熱”工藝處理的。除了恒溫,還必須防止輻射泄漏。為此,直線加速器、增強(qiáng)器、儲(chǔ)存環(huán)隧道的墻體都特別厚,而且墻面不得有大于0.15毫米的貫穿裂縫。光束線末端的實(shí)驗(yàn)站,用厚實(shí)的鉛板搭建,并且拼接得天衣無(wú)縫。除此之外,還配上了多重安全措施,確保萬(wàn)一發(fā)生意外,也不會(huì)有輻射泄漏。

我們有理由期待

如果你問(wèn)我,耗資12億元,歷經(jīng)52個(gè)月,建設(shè)一個(gè)如此巨大的高科技工程,難道就為了得到幾束同步輻射光?我可以告訴你,獲得1997年、2003年、2006年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的科研成果,都誕生于世界上已投入使用的同步輻射裝置的實(shí)驗(yàn)站。由此可見(jiàn)它對(duì)科學(xué)技術(shù)的研究和發(fā)展有多重要。

第三代同步輻射光源引出的硬X射線特別亮,聚成的光斑特別小,可以不到0.2微米,能清楚地描述原子的精確構(gòu)造,看清幾百納米的細(xì)微結(jié)構(gòu)。目前,世界上80%的新蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu),都是依靠同步輻射光源測(cè)定的。由于第三代同步輻射光的亮度特別高,使得這一類(lèi)測(cè)定的精度顯著提高,時(shí)間大大縮短,不僅極大可能地保持了樣品的活性,而且還使觀察和記錄生命的動(dòng)態(tài)變化成為可能。以同步輻射光源替代普通X光,不僅能縮短掃描時(shí)間,而且還能拍出非常精細(xì)的CT圖像。利用同步輻射雙色減影心血管造影技術(shù),能為心血管病的早期診斷提供安全、快速、高清晰的診斷依據(jù)。

作為世界上性能最好的第三代中等能量的同步輻射光源之一,“上海光源”是我國(guó)生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、化工、醫(yī)藥、地質(zhì)、微電子等幾乎所有學(xué)科的科學(xué)家夢(mèng)寐以求的大科學(xué)裝置,它能同時(shí)容納成百上千名來(lái)自全國(guó)乃至全世界的科學(xué)家和工程師進(jìn)行基礎(chǔ)研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)?！吧虾９庠础钡脑O(shè)計(jì)使用壽命為30年。我們有理由期待在這30年間,在這個(gè)發(fā)出神奇之光的“鸚鵡螺”中,我國(guó)的科學(xué)研究將取得驚人的成就。