對話高能同步輻射光源工程總指揮潘衛(wèi)民:比太陽亮1萬億倍的光有什么用

張鈴2024-06-13 21:14

經(jīng)濟(jì)觀察網(wǎng) 記者 張鈴 在北京市雁棲湖畔,有一個形似巨型放大鏡的“大國重器”——高能同步輻射光源(HEPS)。這個正在建設(shè)中的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施,將發(fā)出地球上最亮的光,比太陽的亮度還要高1萬億倍。

6月初,中國科學(xué)院高能物理研究所研究員、HEPS工程總指揮潘衛(wèi)民接受了經(jīng)濟(jì)觀察網(wǎng)的采訪,他透露,預(yù)計HEPS將在今年年底發(fā)射第一束光。

從空中俯瞰,HEPS整體建筑外形如同一個巨大的放大鏡,這和它被應(yīng)用于探索微觀世界的功能是呼應(yīng)的——HEPS既能用來研究材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和物質(zhì)變化的全周期過程,也能用來探索和研究半導(dǎo)體、超導(dǎo)體、納米材料等新材料,還可以用于生命科學(xué)相關(guān)的研究,幫助科研人員理解蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能。

HEPS造價48億元,于2019年6月開始建設(shè),迄今已完成直線加速器、增強(qiáng)器的出束任務(wù),成功將電子升能加速到6000兆電子伏特,創(chuàng)造了多項中國和世界之最。現(xiàn)在,它的儲存環(huán)、光束線站科研設(shè)備正在加緊安裝。

HEPS建成后,中國將成為全球少數(shù)幾個擁有第四代同步光源的國家之一, 同時,作為中國第一臺高能量同步輻射光源,HEPS將與中國現(xiàn)有的光源形成能區(qū)互補(bǔ),對提升國家發(fā)展戰(zhàn)略、增強(qiáng)前沿基礎(chǔ)科學(xué)和高科技領(lǐng)域的原始創(chuàng)新能力具有重大意義。

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經(jīng)濟(jì)觀察網(wǎng):可否舉例說明,HEPS可以給不同領(lǐng)域的科學(xué)家?guī)硎裁磶椭?/strong>

潘為民:HEPS能夠給航空航天、石油化工、醫(yī)藥衛(wèi)生、物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)家提供高品質(zhì)的光,幫助他們解析探索物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和演變機(jī)制,基本把方方面面的應(yīng)用場景都涵蓋了。比如,HEPS可以應(yīng)用于某些材料如鈦合金材料的精密檢測、生命周期監(jiān)測;可以應(yīng)用于觀察新物質(zhì)的生成和合成過程中物質(zhì)是如何變化、反應(yīng)的;也可以用來觀察納米顆粒的尺度,從而調(diào)整和提高納米材料的性能。

以HEPS在生命科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用為例,在第一代光源的幫助下,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了SARS病毒的分子結(jié)構(gòu),現(xiàn)在在建的已經(jīng)是第四代光源了,通過第四代光源去觀察SARS病毒,科學(xué)家一定會觀察得更清楚、更仔細(xì)、采樣更快。

經(jīng)濟(jì)觀察網(wǎng):HEPS可以應(yīng)用于工業(yè)界嗎?

潘衛(wèi)民:國家投資建設(shè)這個大裝置,對于國家需求的研究課題是免費(fèi)開放的。企業(yè)使用HEPS要視情況而定,單獨(dú)建一個線站,需要幾千萬元,企業(yè)沒有一定經(jīng)濟(jì)實(shí)力是不行的。

不過,如果企業(yè)確實(shí)很有研發(fā)能力,我們也愿意扶持企業(yè)的創(chuàng)新。比如,如果一家企業(yè)能借助HEPS發(fā)現(xiàn)對癌癥有很好抑制作用的新藥,這就是造福全人類的事,我們可以與之合作完成實(shí)驗(yàn)。

經(jīng)濟(jì)觀察網(wǎng):HEPS為何能發(fā)射比太陽亮1萬億倍的光?

潘衛(wèi)民:光源的發(fā)射度和亮度成反比。我們把發(fā)射度設(shè)計得非常小,束團(tuán)尺寸設(shè)計得非常小,發(fā)出的光就特別強(qiáng),這是由物理性質(zhì)決定的。HEPS的發(fā)射度的設(shè)計值是世界最小的,我們計算過,它發(fā)出的光亮度大約比太陽亮1萬億倍。

經(jīng)濟(jì)觀察網(wǎng):在年底發(fā)射第一束光之前,HEPS還有哪些重要的工作需要完善?

潘衛(wèi)民:很多事還沒完成,任務(wù)比較重,時間也非常緊。比如,儲存環(huán)設(shè)備還沒完全搭建好,真空盒也還沒有安裝好,此外還有真空盒烘烤、準(zhǔn)直、電源聯(lián)調(diào)、高頻腔的老練等事項。我們預(yù)計從7月15日開始調(diào)束,調(diào)束就看運(yùn)氣了,運(yùn)氣好一個月就調(diào)好了,慢的話需要4—6個月,所以我們爭取年底能發(fā)射第一束光。能夠在一兩個線站上做實(shí)驗(yàn), HEPS就進(jìn)入了試運(yùn)行階段。

經(jīng)濟(jì)觀察網(wǎng):從出光到HEPS正式運(yùn)行還需要經(jīng)過什么過程?

潘衛(wèi)民:還需要經(jīng)過比較長的過程。電子束流達(dá)到二三十毫安就可以出光,但出光只是意味著“水渠”建成了,可以讓水從中流過,流量還不夠。要達(dá)到規(guī)定的流量,并且讓水通暢流過,還需要不斷地修整“水渠”才行。

經(jīng)濟(jì)觀察網(wǎng):裝置在建設(shè)中有哪些措施屏蔽輻射?

潘衛(wèi)民:首先,HEPS的隧道墻體至少有80厘米厚,能夠讓在墻外做實(shí)驗(yàn)的工作人員處于安全的環(huán)境下。此外有很多監(jiān)測手段,我們使用各種儀器檢測輻射的情況,一旦輻射劑量超標(biāo),就會有設(shè)備發(fā)出警報,工作人員可以啟動裝置急停。另外,我們還有多種新的監(jiān)測工具,包括一些中子探測器和手持計量儀。

經(jīng)濟(jì)觀察網(wǎng):同步輻射光源歷經(jīng)四代的更迭,都發(fā)生了哪些變化?

潘衛(wèi)民:我國第一代光源是1989年建成的依托北京正負(fù)電子對撞機(jī)的北京同步輻射裝置,運(yùn)行在2.2GeV(1GeV=109eV),但因?yàn)閷ψ矙C(jī)束流要不斷對撞,束流品質(zhì)本身不高,發(fā)出的光質(zhì)量不算好,盡管如此,依托它也做了很多實(shí)驗(yàn);第二代光源是1990年建成的合肥同步輻射光源,運(yùn)行在800MeV(1MeV=106eV),是一個低能區(qū)光源,是專用光源;第三代光源是2009年建成的上海光源,運(yùn)行在3.5GeV,能量中等,光的質(zhì)量也非常好,性能達(dá)到了世界先進(jìn)水平;第四代光源的特點(diǎn)是發(fā)射度非常小,亮度非常高,比第三代同步輻射光源的亮度要高出100—1000倍,光的各項品質(zhì)要高很多。

我們可以用手電筒的功能升級來類比光源的迭代。過去用的手電筒是很普通的,照明不太清楚,后來有了強(qiáng)光的手電筒,又有了遠(yuǎn)光的手電筒,有的可以比以前照得更清楚,有的可以比以前照更廣的范圍而且清晰度更高。打個比喻,如果第一代光源能看清楚小昆蟲的血管,后來的光源則可以看到血管上的微小血管瘤,到第四代光源,我們甚至可以清楚地看到那到底是一個什么樣的血管瘤。

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