"上海光源"正式竣工 能给蚂蚱触角拍X光片

　　2009年04月29日，“上海光源”正式竣工。这项总投资约12亿元、历经4年零4个月建设的国家重大科学工程，终于成功绽放出七彩的春光。

　　“上海光源”有何奥妙？它和我们普通人的生活有啥关系？带着这些疑问，本报记者独家采访了中国科学院院士杨福家。杨福家院士不仅是该领域的专家，而且早在1995年，他曾和谢希德等科学家一起，在市政协相关会议上提出“在上海建造第三代同步辐射光源”的提案，为“上海光源”的故事写下了一个精彩开头。转眼14个年头过去，从上海到全国，各级领导、科学家、工程技术人员为上海光源工程殚精竭虑，也理应让更多人知道“上海光源”、了解“上海光源”。杨福家院士欣然应邀，带领本报读者一起“神游”上海光源。

　　它是一个“光的博物馆”

　　新闻视点：平心而论，大多数人恐怕直到现在还不是很明白，“上海光源”究竟是个什么东西，能派什么用场。您能否用简单的语言先给大家做一下科普？

　　杨福家：“上海光源”的学名叫“上海同步辐射光源”。严格来说，它不是用来制造我们肉眼可见的“光”，而是发出从远红外到硬X射线的不同波长的电磁波。与可见光相比，这些“看不见的光”波长更短，能量更高。

　　简单来说，“上海光源”的工作原理，是让接近光速运动的电子在磁场中作曲线运动，因为改变运动方向而释放的能量，将转换成各种波段的电磁波。其本质与我们日常接触的可见光和X光一样，都是电磁波。电磁波又叫电磁辐射，由于这种现象最先是1947年在高能物理实验用的同步加速器上发现的，因而被命名为同步辐射(Synchrotron radiation)。

　　“上海光源”坐落于张江，距地铁二号线终点站不算太远。这幢圆盘形的地标建筑，一直被人们形容为巨型鹦鹉螺。其实，这只“海螺”足有上海体育场那么大，是我国迄今最具规模的重大科学工程，并至少具有30年科学寿命。

　　根据上海光源工程的平面图，“螺壳”内部的主体结构分为三部分：外圈为432米周长的一个大环———储存器；与之相切的内圈，是一个180米周长的小环———增强器；小环还连着一根40米长、直直的尾巴———直线电子加速器。在这条有直道、有弯道的“光电隧道”中，能量传送方向为“直线—小环—大环”。

　　出光的具体过程是这样的，高压电从直线加速器扣动“电子枪”，发射出无数个电子。它们在直线隧道内的真空电磁场中疾行，加速至接近光速水平，能量达到150兆电子伏特(150M eV)。接着，这股低能光束线便打弯“注入”内圈小环隧道———增强器，能量在转圈的瞬间被提升22倍左右，变成35亿电子伏特(3.5G eV)的高能光束线，最后“注入”外圈大环隧道———比400米跑道还长的储存器。高能光束线昼夜不停地高速穿行，并沿着大环不断“转圈”，在不同切线方向上“条分缕析”，引出数十束不同波长的形形色色的光，覆盖从远红外线到硬X射线的所有波段，供外围大厅内成百上千的实验站科研人员进行多学科研究。

　　因此，“上海光源”这只鹦鹉螺可谓“光芒”齐放，使不同学科的科学家能在同一个“光的博物馆”内各取所需。

　　能给蚂蚱触角拍X光片

　　新闻视点：“上海光源”有哪些具体用途呢？

　　杨福家：它可以产生不同波长的电磁波，能为各领域的科学家做研究提供条件。例如对医学专家来说，可能在这里找到一种新的射线，成像效果比现在的X射线更好，也许今后医院里就不用X射线拍片了———这就和普通人的生活有很近的关系了。

　　以X射线为例，“上海光源”所发出的X射线，品质绝对是世界一流的。目前，国际上的X射线成像技术越来越高精尖，不仅趋向于更高的空间分辨率(纳米量级)，同时趋向于更快的时间分辨率(1毫秒或更短)。“上海光源”即将对外开放的X射线成像及生物医学应用光束线站，正朝这些方向努力。打个比方，这座光束线站，若为一只活体蚂蚱拍X光照片，包括蚂蚱触角里面的微细管道、呼吸器官等都可一览无遗，这是传统X光机无法办到的。

　　用途还有很多。在材料科学领域，利用“上海光源”产生的高亮度同步辐射光束，可以揭示材料中原子的精确构造，得到有价值的电磁结构参数。它们既是理解材料性能的“科学钥匙”，也隐含着发明新颖材料的原理来源；

　　在地球科学领域，利用X射线作为微探针，能深入了解地壳深处和地幔中矿物的演变和转化，对于矿床地质、矿物、岩石、探矿以及地球化学研究起着重要作用；

　　在微细加工技术领域，利用X射线深度光刻技术，可以“搞定”线宽在几十纳米以下的高度集成电路；

　　在石化及化学工业领域，可以研究催化机理和催化剂特性，有助于发明新型催化剂，直接影响到石油化工的效率和产出；

　　在产品研发与检测方面，可进行飞机发动机和航天器疲劳测试、纸浆无氯漂白工艺改进、化妆品效果分析等 ……

　　“上海光源”计划下月正式对国内外科研用户开放的光束线，共有7条。7束光各配套一座实验站，供课题单位及专家们进行科学实验。目前已收到78所大学、科研院所的用户课题申请242份，累计2868个机时，首批课题正在评审中。

　　这还只是“小试牛刀”的一期工程。据专家估计，整个上海光源总共能建约60条光束线，每条线上可建1—2个实验站。每条光束线的投资，相当于一个国家级重点实验室的规模。可以想象，今后在这个鹦鹉螺里，将诞生多少令世人惊叹的科学奇迹！

　　总能量居世界第四

　　新闻视点：“上海光源”目前在国际上的地位如何？

　　杨福家：我可以很肯定地说，参观“上海光源”，你会打心眼里为中国人感到自豪。它的性能超过同能区现有的第三代同步辐射光源，是目前世界上正在建造或设计中的性能最好的中能光源之一。今后，它将与日本、韩国、中国台湾和印度等地的第三代同步辐射光源一起，在亚洲形成可以与欧美同类装置媲美的、能量和性能分布合理的光源群，成为面向世界的同步辐射实验平台。

　　同步辐射光源是世界主流的高能物理装置之一。据了解，自1947年科学家首次观察到同步辐射现象，这类光源装置迄今已发展出第三代。第一代同步辐射光源是“附生”于高能物理实验专用对撞机的兼用机；第二代同步辐射光源是基于同步辐射专用储存环的专用机；第三代同步辐射光源是基于性能更高的同步辐射专用储存环的专用机，如“上海光源”。据悉，“上海光源”电子束总能量已跻身世界四强，仅次于日、美、欧的同类装置。

　　目前，全球各个国家和地区有一、二、三代同步辐射光源50多台，其中像“上海光源”这样的第三代光源，已建成10多台，而在建和设计中的至少也有13台。预计2010年前后，全球每天都有上万名科学家和工程师，利用这些光源产生的不同波长的光，从事前沿学科研究和高新技术开发。

　　微观层面的“发射卫星”

　　新闻视点：“上海光源”究竟有多难造？

　　杨福家：“嫦娥”工程大家比较熟悉，其实“上海光源”的工作原理，有点像微观层面的“发射卫星”———就是要通过施加外力，让电子在一个个指定轨道上运行，其精度要求，比发射卫星高100万倍。当然，我们也有容易的地方，就是万一把电子搞丢了不要紧，把卫星搞丢了可不行。上海光源工程进展速度之快、质量之高，在国际上都是数一数二的。

　　国外有不少投资比我们高、建造时间比我们长的同类装置，质量却不如我们理想。我在很多场合都会跟人提起“上海光源”，因为我们做得真是太漂亮了！参与其中的许多年轻人，原本在学术界默默无闻，“上海光源”的成功，也令国际同行立马注意起他们来，真可以说是学术界难得的“一夜成名”。

　　建“上海光源”有多难？举个例子，为保持光束流的高度稳定，光源轨道的垂直稳定度须控制在1微米以内。

　　控制这1微米有多难？要知道，各种干扰因素实在不少：施工的地基会有不均匀的沉降，储存环隧道和实验大厅的地板会扭曲和变形，储存环隧道内空气的温度甚至冷却水的温度都在变化，还有各种意料之中或意料之外的振动源……任何一个细节出问题，都无法保证实现这个“1微米以内”的目标。所以工程人员随时随地都在严密监测，用一系列手段使光源稳定性达到世界一流水平。

　　承建单位中国科学院上海应用物理所的技术人员分成不同班组，从早8点到晚5点，从晚5点到早8点，24小时都能在工程现场见到他们。即便在严格控制的25摄氏度恒定室温下，这些专家有时还是会憋出一身汗。在那几百米长的“光之隧道”内，必须像列车编组一样，将一段段光电设备拼接安装到位。精贵的单件设备，有的达上吨重，却要求工程师屏气凝神、小心轻放。正是有无数工程技术人员的兢兢业业，“上海光源”的光束流轨道稳定度达到国际一流水准。

　　还有，10万多个信号点，没有接错一根电缆；国际上通常要2至3个月完成的工程环节，“上海光源”只用了两个星期……在前几天进行的专家测试中，国内外同行一致认为“建设质量达世界一流”。

　　也许就像杨福家院士所说，这些成功，还都是“前奏”。随着“上海光源”的对外开放，以后将有更多看点。在这个大平台上进行的多种实验，每一个都可能给我们带来惊喜。我们姑且拭目以待。