中國科學的下一件大事：高能同步輻射光源_風聞

來源：微信公眾號“知識分子”

撰文 | Robert P Crease

翻譯 | 谷大春

校譯 | 宋宇錚

璀璨未來：中國最新型高能同步輻射光源，即第四代同步輻射加速器裝置的計算機模擬圖片。在2025年底，該光源將建成並向世界開放。那時，它將擁有多達70條束線。

在位於北京的中國科學院高能物理研究所（IHEP，以下簡稱高能所）的入口處，矗立着一座閃閃發光的金屬雕塑。從遠處看，這尊雕塑就像是一張長有兩隻螺旋狀眼睛的臉——一隻眼睛是黑的，另一隻是白的，而在眼睛的周圍則是兩縷向兩個方向散發着的頭髮。這尊雕塑彷彿就是畢加索創造出來的藝術品，只不過不是用畫筆，而是用彎曲的塑料管。

董宇輝教授是高能所的一名資深研究員。今年6月，在我訪問高能所時，他給我講解了這座雕塑的寓意： “這尊雕塑其實是由中國的 ‘陰’ 和 ‘陽’ 符號組成，‘陰’ ‘陽’則表示組成萬事萬物不可分割的對立面。” 所以，起初被我誤認為的 ‘眼睛’ 其實是 ‘陰’ ‘陽’ 符號的首端坐落在一起，而那些發散的頭髮則是符號的末端。

董宇輝補充説，這一造型與北京正負電子對撞機（BEPC）非常契合。北京正負電子對撞機自1988年以來，就一直在高能所運作。他告訴我：“當把 ‘陰’ ‘陽’ 結合在一起時，你就能製造出很多東西，比如：電子和正電子，以及其他物質。” 他接着説，這尊雕塑是基於李政道先生提出的一個概念。李政道先生出生於中國，因其在宇稱不守恆方面的傑出工作與楊振寧 （Chen Ning Yang）先生一起分享了1957年的諾貝爾物理學獎。

董宇輝目前是高能所多學科研究中心的主任，他是一個充滿活力的人，而且總是談笑風生。現在，他又接受了一項新的任務，即擔任中國最新型同步加速器——高能同步輻射光源（HEPS）項目的副經理。該光源是中國即將建造的第四個同步加速器，已於今年6月29日正式破土動工。

旋轉加速

從本質上來説，同步輻射其實與同步加速器無關。同步輻射是經典電動力學的結果：根據經典電動力學定律，任何帶電粒子在加速時都會向外輻射能量。電子在同步加速器的圓形軌道中運動時也同樣遵循這一定律。 “同步輻射” 這個名字的由來是因為當粒子在圓形加速器中被加速時，束縛粒子進行圓周運動的磁場強度會隨粒子動量的增加而同步增大，兩者要在時間上要保持同步。

這一現象最早是在20世紀40年代末，由位於美國紐約斯克內克塔迪市的通用電氣（GE）研究實驗室的科學家們首次發現。那時該實驗室正在進行一個世界級的加速器和固體物理學研究項目。當時，那裏的一個小型GE同步加速器碰巧安裝了一個玻璃真空腔，可以讓科學家們直接觀測到輻射光。自此之後，這類輻射光的名字上便永久地刻上了同步加速器的字樣。

最初，同步輻射是科學家們所討厭的現象。這是因為，當能量超過某一臨界點時，任何注入電子的額外能量都會被迅速地輻射出去。如此一來，同步加速器的輻射光似乎限制了電子加速器的尺寸，也限制了其功率。但是，在隨後的十年裏，物理學家們逐漸意識到，同步輻射有可能被用作強X射線源和精細可調諧X射線源，進而用於衍射、光譜、成像以及其他用途。

位於美國加州的斯坦福直線加速器中心（SLAC）和其他地方的實驗人員們逐步開始使用那些被高能物理學家們拋棄的電子儲存環，或者是在它們沒有被使用時暫時地借用。董宇輝風趣地説： “這些實驗人員是像是高能物理學家身上的寄生蟲。” 他對同步加速器的歷史，以及北京正負離子對撞機都非常熟悉。可以説，這就是一個 “缺陷” 搖身一變，成為了實驗工具的案例。

‘陰’ ‘陽’ 交合：這尊雕塑坐落於北京高能物理研究所的大門外，它寓指加速器讓相反的兩種粒子，即電子和正電子碰撞在一起。

更新換代

類如斯坦福直線加速器中心的這種機器裝置屬於第一代同步輻射光源。隨後，同步輻射光源的用户們便想要開發屬於他們自己的專用機器，希望能夠獲得比使用高能物理學家制造的高能機器時還要更細的光束。更窄、更聚焦的電子束可以產生更加明亮的X射線。隨後，“亮度” 便成為同步輻射的一個關鍵參數，它與電子束的強度及其發散方式有關。

在上世紀70年代，布魯克海文國家實驗室的兩位加速器物理學家——雷納特·查斯曼（Renate Chasman）和肯·格林（Ken Green），專門設計了一種磁體陣列，可以最大限度地提高電子束的亮度。第一代加速器，在配備上查斯曼-格林陣列後便升級成為第二代同步加速器光源。20世紀80年代開始使用的布魯克海文國家同步加速器光源（NSL SI），以及位於英國達斯伯裏市的同步輻射裝置都屬於第二代同步輻射光源。

後來，隨着中國在全球科學舞台上不斷嶄露頭角，她也渴望參與進來。因此，在1991年中國建成了北京同步輻射裝置（BSRF），這是中國首個此類同步輻射光源。北京同步輻射裝置使用了一種改進型查斯曼-格林陣列，但其電子源依然是來自於北京正負電子對撞機。董宇輝笑着説，這是一個具有不尋常混合性質的裝置， “它是第一代光源，但卻擁有着和第二代光源相同的參數。”

與全球其他50多個同步加速器相比，北京同步輻射裝置雖然目前仍在運行，但其運力早已捉襟見肘，尤其是它只有14條束流線。這比位於法國格勒諾布爾市的歐洲同步輻射裝置（European Synchrotron Radiation Facility）要少得多，其擁有40多條束流線，而布魯克海文國家同步輻射光源則擁有近80條束流線。但即便如此，目前北京同步輻射裝置仍在被高效、積極地使用着。在1995年，董宇輝獲得了凝聚態物理的博士學位，而他博士期間的研究工作正是在這裏開展，那也是這裏開展的第一批實驗之一。

第四代光源，是否將成為最後一代？

在20世紀90年代中期，第三代同步加速器光源就已經問世。第三代加速器由一些長而直的部件組成，這些部件用來容納被稱為 “擺動器” 和 “波動器” 的儀器。從20世紀60年代開始，科學家們就開始研發這種儀器，通過在加速器的直線部分使用一系列磁鐵來振盪電子束，進而使其發出更多的輻射光，從而提高同步輻射的亮度。

即北京同步輻射裝置之後，中國又先後建造了兩個同步加速器。合肥擁有一個 “真正的” 第二代同步輻射裝置，而上海也擁有了一個第三代同步輻射實驗室。而正在建造的高能同步輻射光源將成為中國首個第四代同步加速器光源，它也將成為世界上僅有的幾個此類裝置之一。它將使用更先進的，被稱為 “多彎消色差透鏡” 的磁鐵陣列，從而獲得亮度更大的光束。

然而，這些新技術並不是建造第四代加速器面臨的全部挑戰。董宇輝告訴我説，給高能同步輻射光源選址本身就是一件非常困難的事情。設計人員希望能夠尋找到一個臨近北京的地點，這樣便能免去實驗人員的長途奔波。然而，該類裝置又必須建造在人煙相對稀少的土地上，而且還得有穩定的岩石基礎。在歷時四年後，設計人員最終才在北京的東北部，靠近京密引水渠附近發現了一塊合適的地方。京密引水渠是北京最主要的供水線路，它將密雲的飲用水輸送到北京。

高能同步輻射光源設計周長為1.3公里，擁有60 ~70條束流線和90多個實驗站，預計將於2025年底建成。董宇輝介紹説： “我負責所有的束流線，所以我必須決定需要建造什麼樣的束流線，每個實驗站又將進行何種實驗，而且還得將所有這一切控制在預算之內。更重要的是所有這些都要在六年半的時間裏全部完成！”

從植物到蛋白質

當第四代光源建造完成時，北京同步輻射裝置可能將會被關閉。但就目前而言，它的使用仍然非常活躍。董宇輝帶我四處參觀，並展示了這裏所支持的各項研究工作。在我參觀的時候，北京正負電子對撞機正運行在高能物理模式下。事實上，大約75%的時間它都運行在該模式下。北京同步輻射裝置的一些束流線也會在高能物理模式下工作，但由於配備了強屏蔽性的保護罩，這時，我們依然可以在周圍自由行走。

當我們進入北京同步輻射裝置的大樓時，一陣刺耳的警報聲響起。這表明同步輻射裝置正在進行電子注入，這也意味着此時所有人將被限制進入注入區域。董宇輝已經在這裏工作了30年，早已習慣了這種嘈雜的聲音，並未有什麼反應。大概一分鐘後，謝天謝地，嘈雜的警報聲停了下來。

北京同步輻射裝置的周長為240米，實驗站都位於環外的一個靠近端口的扇區內。雖然只有14個站點，但該裝置平均每年卻要支持1800至2000名用户，他們幾乎全部來自中國。在這裏，有一堆堆用鋁箔覆蓋的管道和設備，還有一個個張貼着描述線站研究工作海報的櫥窗欄。

“這個是X射線吸收精細結構（XFAS），” 董宇輝邊走邊介紹説，“那個是X射線衍射，那邊是X射線熒光。和其他同步加速器一樣，多年來，這裏的用户羣體也在不斷的發生着變化。他説，起初大多數用户都是凝聚態物理學家。後來，蛋白質晶體學家們也開始對同步輻射產生了興趣，他們逐漸意識到同步加速器發射出的X射線對於解決蛋白質結構問題非常有價值，當然前提是他們要有足夠多的樣本來放入光束中。

蛋白質晶體學和其他一些生命科學中的應用大大增多了在光源開展研究工作的生物學家們。然而，就在幾年前，測定蛋白質結構問題的方法逐步被冷凍電鏡技術（Cryo-EM）所取代。冷凍電鏡技術使用獨立的設備，不需要太多的樣本就可以解決蛋白質結構問題，這完全優於同步輻射技術。冷凍電鏡技術的發展在一定程度上減慢了蛋白質晶體學家在同步加速器用户羣中擴增的速度。

隨後，我和董宇輝在X射線熒光研究站停了下來。那裏張貼了一張海報，上面呈現着該站研究的三種不同植物的照片。董宇輝解釋説，這張海報展示了其中一種植物對鉻的吸收情況。 “在這個線站，他們正在研究環境污染問題。這種植物來自中國南方的一個鉻污染嚴重的地區，研究人員正在嘗試使用某些真菌從土壤中吸取殘留的鉻。”

這另一張海報則是關於一株水稻。董宇輝解釋道：“這株水稻來自貴州省，大約在3000年前的漢代，那裏就存在着一個水銀礦。我們之所以能推算出3000年前的情況，是因為可以從水稻中將其投射出來出來！雖然對水銀的開採早就停止，但污染的程度仍然很嚴重。研究人員利用北京同步輻射裝置的技術，來尋找降低水稻中汞毒性的方法，尤其是探索硒元素在其中的作用。

他繼續解釋説：“硒可以與汞結合，將其沉積在穀物的表面。然後通過機器拋光穀物的表面，進而除去這些顆粒。在這個線站，他們正在精確地定位汞與硒結合的具體位置。” 儘管這種穀物不會供人類或動物食用，但卻可以用來生產工業酒精。董又説道：“要知道，在人口密集的地區，我們必須充分利用每一塊耕地。”

和世界上的其他光源相同，北京同步輻射裝置同時為學術和產業用户服務。產業界用户也可以免費使用這些裝置，只要他們公開發表其研究結果；反之，如果工業用户選擇不公開其研究結果，就必須支付全部費用。但從在同步輻射線站上開展研究工作的製藥公司來看，中、西方對光源的應用還是存在着某些差異的。

在西方，例如像諾華（Novartis）、默克（Merck）和輝瑞（Pfizer）等公司，它們規模龐大、實力雄厚，足以從頭到尾研發出一種新型藥物。董宇輝説，藥物開發最昂貴的部分就是臨牀試驗， “這些大公司會在同步輻射裝置上建造束流線，並有着與機器供應商相互合作的經驗。而在中國，我們沒有這麼富有的公司。這裏的公司只能承擔起一些 ‘廉價’ 的研究，比如解出一個結構，並去檢驗它如何與其他分子發生相互作用。他們很想秘密地進行測試——有時候他們甚至不會告訴我們測試的是哪一種蛋白質。這就使得合作變得更加困難。”

轉折點

董宇輝曾經告訴過我，在這裏，他逐漸開始厭倦了那些例行公事般的流程：“用户來了，用户又走了，研究變得越來越複雜，研究人員不知道機器的細節，操作員不得不幫助他們。因此你不得不很少去注意機器本身，而是更多地去關注用户的需要。” 另外，董還對同步輻射源技術進展的緩慢感到失望，他説：“在本世紀，同步輻射技術幾乎沒有任何創新。”

在董宇輝看來，由於受到光束光斑和聚焦大小的限制，同步加速器似乎正在接近光學可能施加的亮度極限。在幾年前，他就曾經説過，第四代同步加速器光源甚至被公認為 “終極存儲環”。就高能同步輻射光源，他們將建立專門的研究中心，用以連接研究團隊和機器的運行者，加強彼此之間的合作。董宇輝還提到了一些關於這些設施的新想法，比如康奈爾大學的研究人員提出的一種能量回收直線加速器裝置。希望這些創新能夠幫助同步加速器在之後的幾十年裏贏得一個更加璀璨的未來。

**原文鏈接：**https://physicsworld.com/a/chinas-next-big-thing-a-new-fourth-generation-synchrotron-facility-in-beijing/