能給螞蚱觸角拍X光片 精度要求高過(guò)衛(wèi)星發(fā)射

與外界的喧囂相比，在上海浦東張江高科技園區(qū)，一個(gè)看似“鸚鵡螺”的大型建筑的周圍卻格外寧?kù)o。門口寬闊簇新的柏油馬路上，甚至看不到一輛大型汽車——因?yàn)槟呐抡穹^(guò)0.3微米的輕微震動(dòng)，都會(huì)使當(dāng)時(shí)正在進(jìn)行的試驗(yàn)泡湯。 

1月19日，這個(gè)學(xué)名為上海同步輻射光源（簡(jiǎn)稱“上海光源”）的神秘裝置撩開面紗，正式通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收并向國(guó)內(nèi)外開放。這是我國(guó)迄今為止大的大科學(xué)工程，也是僅次于日本SPING－8、美國(guó)APS、歐洲ESRF，電子束能量居世界第四位的第三代同步輻射光源。 

國(guó)家發(fā)改委副主任張曉強(qiáng)在驗(yàn)收會(huì)上激情澎湃——這個(gè)國(guó)際上先進(jìn)的同步輻射裝置的建設(shè)，標(biāo)志著我國(guó)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)邁入了新的發(fā)展階段，伴隨上海光源等工程，我國(guó)也拉開了“十一五”階段大規(guī)?？萍冀ㄔO(shè)的序幕。 

歷史上曾先后出現(xiàn)過(guò)3次對(duì)人類文明起到革命性推動(dòng)作用的新光源。次是電光源，它消滅了白天與黑夜的差別；第二次是X光源，人類可以通過(guò)它觀察到肉眼看不到的物體的內(nèi)部和微觀領(lǐng)域；第三次是激光光源，它在工業(yè)、通訊、信息、國(guó)防、醫(yī)療和科研等極為廣闊的領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。 

這個(gè)被科學(xué)界譽(yù)為帶來(lái)第四次革命的同步輻射光源，是一縷怎樣的神奇之光，又將照亮哪些前所未有的世界？ 

能給螞蚱的觸角拍X光片 

過(guò)去幾年里，中科院上海藥物所沈旭研究員天天盼著“上海光源”正式開放。 

使用上海光源，他研究晶體結(jié)構(gòu)的效率提高了數(shù)十倍，“以前用普通X光衍射，要做幾天的工作，現(xiàn)在只需要20分鐘左右的時(shí)間，一些以前根本不可能看到的藥物與靶標(biāo)的相互作用現(xiàn)在也一覽無(wú)余。” 

15年前提議建設(shè)“上海光源”的中科院院士楊福家的描繪則更為形象：“這座光束線站，若為一只活體螞蚱拍X光照片，包括螞蚱觸角里面的微細(xì)管道、呼吸器官等都可一覽無(wú)余，這是傳統(tǒng)X光機(jī)無(wú)法辦到的。” 

“上海光源給國(guó)內(nèi)結(jié)構(gòu)生物學(xué)帶來(lái)了跨時(shí)代的飛躍！”沈旭研究員說(shuō)，以前所里只有自己一個(gè)人做這一領(lǐng)域的研究，因?yàn)橛辛诉@一平臺(tái)，近半年，先后有4位海外專家投奔而來(lái)，甚至一些以前不是做這方面研究的科學(xué)家也對(duì)此產(chǎn)生了濃厚興趣。實(shí)現(xiàn)跨時(shí)代飛躍的絕不僅僅是沈旭的學(xué)科。 

“上海光源”甫一運(yùn)行，科研單位的課題申請(qǐng)像雪片一樣飛來(lái)。追逐著這縷世界同步輻射領(lǐng)域聲名鵲起的“神奇之光”，科技界掀起了新一波科學(xué)研究的熱潮。 

“上海光源”目前對(duì)國(guó)內(nèi)外科研用戶正式開放的光束線共有7條。7束光各配套一座實(shí)驗(yàn)站，供課題單位及專家們進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)。目前“上海光源”執(zhí)行了101個(gè)科研院所和大學(xué)的用戶課題432個(gè)，涵蓋生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等十幾個(gè)學(xué)科。 

“就像一臺(tái)可供多用戶使用的超級(jí)顯微鏡”，“上海光源”束線工程部主任肖體喬說(shuō)，“上海光源”發(fā)出的從遠(yuǎn)紅外到硬X射線的不同波長(zhǎng)的電磁波，與可見光相比，這些“看不見的光”波長(zhǎng)更短，能量更高。光照射到樣品上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生衍射、散射、折射、透射、吸收等現(xiàn)象，與物體相互作用可以激發(fā)產(chǎn)生熒光和光電子，引起物體的激發(fā)、電離和碎裂等現(xiàn)象?？茖W(xué)家正是借助于這些現(xiàn)象探索未知的世界。 

肖體喬介紹，我國(guó)在此之前已經(jīng)有了代光源北京譜儀，是寄生于北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的兼用機(jī)；合肥國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室屬于第二代光源，是基于同步輻射專用儲(chǔ)存環(huán)的專用機(jī)。 

“上海光源”與代和第二代同步輻射光源相比，性能有了量級(jí)的提高。以亮度為例，“上海光源”的光亮度提高了1600倍。亮度的提高帶來(lái)速度的提升，原來(lái)需要幾天才能得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，現(xiàn)在可能只需要幾小時(shí)甚至幾分鐘。 

“以生命科學(xué)為例，生命科學(xué)已進(jìn)入后基因組時(shí)代，蛋白質(zhì)科學(xué)已成為各發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相搶占的制高點(diǎn)。而以蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能研究為主要目標(biāo)的結(jié)構(gòu)基因組學(xué)研究，其中80％以上的工作需要在第三代同步輻射光源上進(jìn)行，所以‘上海光源’將成為我國(guó)生命科學(xué)前沿研究不可或缺的大科學(xué)設(shè)施。” 

這還只是“小試牛刀”的一期工程。據(jù)專家估計(jì)，整個(gè)“上海光源”總共能建約60條光束線，每條線上可建1~2個(gè)實(shí)驗(yàn)站，“每條光束線的投資，相當(dāng)于一個(gè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的規(guī)模”。 

“可以想象，今后在這個(gè)鸚鵡螺里，將誕生多少令世人驚嘆的科學(xué)奇跡！”驗(yàn)收會(huì)上，一位科學(xué)家無(wú)限感慨。 

精度要求高過(guò)衛(wèi)星發(fā)射 照亮科學(xué)工程自主創(chuàng)新之路 

“上海光源”究竟有多難造？ 

據(jù)中科院上海應(yīng)用物理研究所李浩虎博士介紹，其實(shí)“上海光源”的工作原理，有點(diǎn)像微觀層面的“發(fā)射衛(wèi)星”——就是要通過(guò)施加外力，讓電子在一個(gè)個(gè)指定軌道上運(yùn)行，其精度要求，比發(fā)射衛(wèi)星還要高很多倍。 

“為保持光束流的高度穩(wěn)定，光源軌道的垂直穩(wěn)定度須控制在1微米以內(nèi)。”李浩虎博士說(shuō)，這其中，各種干擾因素實(shí)在不少：施工的地基會(huì)有不均勻的沉降，儲(chǔ)存環(huán)隧道和實(shí)驗(yàn)大廳的地板會(huì)扭曲和變形，儲(chǔ)存環(huán)隧道內(nèi)空氣的溫度甚至冷卻水的溫度都在變化，還有各種意料之中或意料之外的振動(dòng)源…… 

“任何一個(gè)細(xì)節(jié)出問(wèn)題，都無(wú)法保證實(shí)現(xiàn)這個(gè)‘1微米以內(nèi)’的目標(biāo)。” 

為了確保設(shè)備安裝不出現(xiàn)絲毫偏差，承擔(dān)工程建設(shè)的中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理所的技術(shù)人員分成不同班組，從早8點(diǎn)到晚5點(diǎn)，從晚5點(diǎn)到早8點(diǎn)，24小時(shí)都能在工程現(xiàn)場(chǎng)見到他們。 

即便在嚴(yán)格控制的25℃恒定室溫下，這些專家有時(shí)還是會(huì)憋出一身汗；一位工藝員因?yàn)槊刻煲@著432米的儲(chǔ)存環(huán)安裝現(xiàn)場(chǎng)走上10多圈，一年半內(nèi)走破了十雙鞋子。 

還有，10萬(wàn)多個(gè)信號(hào)點(diǎn)，沒(méi)有接錯(cuò)一根電纜；國(guó)際上通常要2~3個(gè)月完成的工程環(huán)節(jié)，“上海光源”只用了兩個(gè)星期……在專家測(cè)試中，國(guó)內(nèi)外同行一致認(rèn)為“建設(shè)質(zhì)量達(dá)世界”。 

高難度的大科學(xué)工程拉升了我國(guó)自主創(chuàng)新水平。國(guó)家驗(yàn)收統(tǒng)計(jì)，這個(gè)我國(guó)大的大科學(xué)工程自主研制的設(shè)備超過(guò)70%，有力地推動(dòng)了國(guó)內(nèi)相關(guān)高技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，在國(guó)際上同類第三代同步輻射光源中性價(jià)比好，“照亮了我國(guó)科技自主創(chuàng)新之路。” 

一個(gè)故事讓人印象深刻。 

2006年年底，“上海光源”工程經(jīng)理部通過(guò)全球招標(biāo)，將國(guó)內(nèi)沒(méi)有的一份組件——上海光源的主要發(fā)光部件真空內(nèi)波蕩器訂單下給了國(guó)外一家公司定于2008年年中交貨。這年2月，意外發(fā)生，外方提出延遲到今年6月以后才能交貨，而整個(gè)上海光源工程按計(jì)劃應(yīng)在2009年4月就完成！ 

逼上梁山。面對(duì)這個(gè)近十年來(lái)世界上發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)的光源技術(shù)之一，研制組決定自主研發(fā)，從設(shè)計(jì)圖紙、確定磁鐵塊組裝方案、試制模型和小段樣機(jī)，每一步都要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格審核，2009年大年初三，我國(guó)自主研發(fā)的臺(tái)真空內(nèi)波蕩器宣告誕生。