那些照亮中国的“超级显微镜”

北京高能同步辐射光源。中科院高能物理研究所供图

上海同步辐射光源。上海同步辐射光源供图

合肥先进光源效果图。中国科学技术大学供图

■记者 倪思洁

同步辐射光源被誉为“超级显微镜”,可以利用X射线看清物质内部的结构。

作为科技界和工业界不可或缺的重要实验平台,同步辐射光源正在变得更亮,以看到更清晰的物质结构。

记者从日前召开的“高能同步辐射光源高端学术论坛”获悉,在北京、上海、合肥三大综合性国家科学中心,我国科学家正如火如荼地建设先进同步辐射光源,未来将全面覆盖高、中、低能区。

北京高能同步辐射光源:高能区世界最亮 预期2025年建成

在北京怀柔综合性国家科学中心,以“放大镜”为造型的高能同步辐射光源(HEPS,简称高能光源)已显出了大致的模样。

高能光源2019年6月开工,建设周期为6年半,今年6月正式进入设备安装阶段。

高能光源项目总指挥、中科院高能物理研究所研究员潘卫民介绍,高能光源聚焦高能区,建成后将成为我国第一台高能量同步辐射光源,也是世界最亮的第四代同步辐射光源之一,与美国先进光子源、欧洲同步辐射装置、日本SPring-8、德国的PETRA-III一起,构成世界五大高能同步辐射光源,将满足国家战略和工业核心创新能力等相关研究对高能量、高亮度X射线的迫切需求。

“我们必须保证‘后墙不倒’,确保高能光源在2025年12月验收并投入运行。”潘卫民说,2024年4月,HEPS将打出第一束同步光;2025年9月,HEPS开始试运行。

高能光源首批将建设14条光束线和相应的实验站,可提供纳米空间分辨、皮秒时间分辨、毫电子伏能量分辨的同步光,通过对微观结构多维度、实时、原位表征,解析物质结构生成及其演化的全周期全过程。

潘卫民表示,后续高能光源还将规划建设更多光束线站,“高能光源建设高性能光束线站的容量不少于90条。2035年,预期线站总数将达到60条左右,总体上进入世界前列;到2040年,预期线站总数将达到70条左右,总体上处于世界领先地位”。

上海光源:中能第三代光源 运行12年用户超3万

在上海张江综合性国家科学中心一个酷似“鹦鹉螺”的建筑里,来自全国各地的科研人员来来往往。其承载的是中能第三代同步辐射光源——上海光源(SSRF)。

1993年我国科学家丁大钊、方守贤、冼鼎昌建议在中国建造第三代同步辐射光源。2004年12月,SSRF工程正式动工,2009年5月6日正式对用户开放。

“SSRF开放运行12年,用户已经超过了3万人,机时供不应求。”SSRF科学中心主任、中国工程院院士赵振堂说。

截至2020年底,SSRF已经服务了遍布全国571家单位3100余个课题组的31500多名用户,产出了一批重大成果。例如,2020年,助力我国科学家应对新冠疫情的系列蛋白质结构研究取得突破进展。

2016年11月,SSRF线站工程开工建设,新建16条高水平的光束线站并拓展光源性能,以实现第三代同步辐射光源近乎极限的空间、时间和能量分辨能力,全面提升SSRF科技策源能力。“二期工程预期在2022年6月完成所有线站调束,11月完成国家验收并全面向用户开放。”赵振堂说。

面向未来,“SSRF将率先升级为同时具备同步辐射高重频和高稳定性以及自由电子激光高相干性的第五代光源。”赵振堂说。

合肥先进光源:低能区国际先进建设方案已成型

在安徽合肥综合性国家科学中心,一只“大眼睛”正在筹建之中,它便是合肥先进光源(HALF)。

“HALF的工程目标是国际先进、低能量区第四代同步辐射光源,科学目标是实现复杂体系电子态、化学态、轻元素结构精确测量。”中国科学技术大学国家同步辐射实验室主任封东来说。

对于先进光源装置来说,不同的能区各有所长。“低能区侧重于功能研究,可用于研究化学反应、超导电性、磁性、航空发动机燃烧动力学等。中高能区侧重于研究结构,可用于观察单晶生长、蛋白质分子结构、航空发动机单晶叶片的结构缺陷等。”封东来说。

目前在我国,随着用户需求的扩大,低能区光束线数量少、性能不足的问题日渐突出。正因如此,HALF将目标瞄准了低能区。

“北京高能光源覆盖高能区,上海光源覆盖中能区,未来我们希望通过建设HALF弥补我国先进光源在低能区的短板,满足能源、化工、环境等领域前沿研究需求。”封东来说。

封东来表示,安徽省、合肥市和中科院共投入了3.56亿元,经过3年预研,已经形成了建设方案。“目前,合肥先进光源的光束线和实验站的初步设计已经完成,首批拟建设10个实验线站,后续还规划了近20条线站,总计约35条线站。”封东来说。

来源: 《中国科学报》

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