上海光源，是張江綜合性國家科學(xué)中心的第一地標(biāo)，其鸚鵡螺造型集科學(xué)與藝術(shù)于一體。作為全球最先進(jìn)的第三代同步輻射光源之一，上海光源是科研人員從事物理、化學(xué)、生物、材料、能源等多學(xué)科研究的利器。去年，我國科學(xué)家借助上海光源發(fā)現(xiàn)了外爾費(fèi)米子，揭示了埃博拉病毒機(jī)理。如今，上海光源二期線站工程即將開建，“鸚鵡螺”旁的X射線自由電子激光試驗(yàn)裝置正加緊建設(shè)，計(jì)劃今年底調(diào)束出光。
如果說，第三代同步輻射光能為科學(xué)家拍攝“分子照片”，那么被稱為“第四代先進(jìn)光源”的X射線自由電子激光，能把生命科學(xué)帶入“分子電影”時(shí)代，對(duì)生物活體細(xì)胞進(jìn)行三維全息成像和顯微成像。
“夢之線”助科學(xué)家找到“幽靈粒子”
雖然寒假剛結(jié)束，但不少高校、院所的科研人員已在“鸚鵡螺”投入工作。在軟X射線能區(qū)覆蓋能量最寬的“夢之線”，中科院物理研究所的博士生孔令元，正在利用角分辨光電子能譜儀探測一件單晶樣品。“世界上適合探測單晶的光源并不多，上海光源發(fā)出的軟X射線，可以在低能區(qū)測單晶表面，在高能區(qū)測單晶體態(tài)。”孔令元指著這臺(tái)碩大的儀器告訴記者。
去年，中科院物理研究所的丁洪研究組，正是借助上海光源的角分辨光電子能譜儀，證實(shí)了理論預(yù)言的三維電子能譜和費(fèi)米弧。這一成果，被歐洲物理學(xué)會(huì)評(píng)為“2015年度國際物理學(xué)十大突破”之一，相繼入選“2015年中國十大科技進(jìn)展新聞”和“2015年度中國科學(xué)十大進(jìn)展”。1929年，德國物理學(xué)家外爾提出，當(dāng)質(zhì)量為零時(shí)，狄拉克方程描述的是一對(duì)能量相同但具有相反手性的新粒子，即外爾費(fèi)米子。80多年過去，人們一直未能觀測到這種神奇的粒子。在“夢之線”幫助下，我國科學(xué)家去年找到了這種隱身80多年的“幽靈粒子”。
外爾費(fèi)米子的發(fā)現(xiàn)，提出了很多新的科學(xué)問題，也為開發(fā)低能耗電子器件等變革性技術(shù)提供了新思路。中美等國科研團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)一步深入探索，上海光源“夢之線”是中國團(tuán)隊(duì)參與這場國際競爭的強(qiáng)大裝備。
打造“光劍”，對(duì)活細(xì)胞三維全息成像
上海光源的裝備還在不斷升級(jí)。目前，“鸚鵡螺”旁的X射線自由電子激光試驗(yàn)裝置正在建設(shè)，計(jì)劃今年底調(diào)束出光，2018年正式投入使用。升級(jí)的X射線自由電子激光用戶裝置也已得到立項(xiàng)批復(fù)。
中科院應(yīng)用物理研究所所長趙振堂介紹，“鸚鵡螺”是第三代同步輻射光源，而X射線自由電子激光屬于第四代先進(jìn)光源，其峰值亮度比第三代同步輻射光源高9—10個(gè)量級(jí)（即10的9—10次方）；成像時(shí)間尺度可達(dá)到飛秒量級(jí)（1秒的1000萬億分之一），比第三代同步輻射光高3個(gè)數(shù)量級(jí)；而且相干性更好，屬于相干的X射線光源。
在設(shè)施外觀上，X射線自由電子激光用戶裝置是狹長型建筑，加速器長200多米，建筑總長500米左右，好似一柄光劍。這柄“光劍”有兩個(gè)重要波段：“水窗”（波長2.3—4.4納米）和“磁窗”（波長1—2納米）。在“水窗”波段，水中的氧基本透明，生命物質(zhì)的主要元素——碳卻有很強(qiáng)的吸收。利用這個(gè)波段的軟X射線，可以在很好的對(duì)比度下觀測活體細(xì)胞和生物樣品，實(shí)現(xiàn)生物學(xué)家的一大夢想：對(duì)生物活體細(xì)胞進(jìn)行三維全息成像和顯微成像。下轉(zhuǎn)◆5版（上接第1版）而且，由于成像時(shí)間精度達(dá)到飛秒級(jí)，X射線自由電子激光拍攝到的可不是生物分子“照片”，而是“視頻”。鑒于此，上海科技大學(xué)計(jì)劃在X射線自由電子激光試驗(yàn)裝置上，建立“活細(xì)胞成像平臺(tái)”，以納米級(jí)分辨率、飛秒級(jí)速度探測細(xì)胞奧秘，為生命科學(xué)研究提供前所未有的裝備。而在“磁窗”波段，存在大量原子共振吸收邊，對(duì)研究超快、大容量磁光存儲(chǔ)器件有重要作用。
二期線站工程將大幅提升實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?/div>
今年下半年，上海光源二期線站工程也將開工建設(shè)。“鸚鵡螺”現(xiàn)有13條光束線站在運(yùn)行，二期工程將新建16條線站，耗時(shí)6年、預(yù)算16.8億元。開建3年后，線站就會(huì)陸續(xù)投入使用。
趙振堂介紹，上海光源近期規(guī)劃了20多條光束線站。通過安裝波蕩器、扭擺器這兩種插入件光源，這臺(tái)“巨型X光機(jī)”發(fā)出的各種高性能同步輻射光，會(huì)不斷引入新的線站，從而大幅度增加實(shí)驗(yàn)方法、提升實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，讓更多科研用戶匯聚在上海光源，開展高水平前沿研究。在二期工程的16條線站中，有3條會(huì)從“鸚鵡螺”體內(nèi)延伸出來，建在“鸚鵡螺”旁的人工湖上。
除了二期工程的光束線站，另有7條線站也在建設(shè)或設(shè)計(jì)中。其中，國家自然科學(xué)基金委出資建設(shè)2條，用于研究能源和環(huán)境材料，明年建成；中石化建設(shè)3條，研究催化和高分子材料；中國工程物理研究院建設(shè)2條，研究極端條件下的物理現(xiàn)象。
上海光源投入使用6年多來，已有385家單位、1900多個(gè)課題組、12000多人成為用戶，取得了眾多有價(jià)值、有影響力的科研成果，其中3項(xiàng)入選“中國科學(xué)十大進(jìn)展”，3項(xiàng)入選“中國科技十大進(jìn)展新聞”，1項(xiàng)被美國《科學(xué)》“十大突破”引用，1項(xiàng)入選歐洲《物理世界》“十大突破”。從地域分布上看，上海光源的用戶幾乎覆蓋我國所有省市自治區(qū)，還有10多個(gè)國家的科研人員以合作形式來到這里，開展研究工作。隨著更多線站以及X射線自由電子激光試驗(yàn)裝置的建成，將有更多國內(nèi)外用戶慕名而來，催生更多源頭創(chuàng)新成果。
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