大科學(xué)裝置，指的是國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，是我國(guó)實(shí)現(xiàn)諸多重大科技成果突破和建設(shè)科技強(qiáng)國(guó)的“利器”。比如大家熟悉的射電望遠(yuǎn)鏡——中國(guó)天眼FAST。五一期間，我國(guó)不少大科學(xué)裝置仍在施工中，科學(xué)家和建設(shè)者加班加點(diǎn)，保障工程順利進(jìn)行。這幾天，我們將走進(jìn)這些“國(guó)之重器”的工程現(xiàn)場(chǎng)，了解它們的重要作用。今天第一站，我們先走進(jìn)北京懷柔科學(xué)城。

高能同步輻射光源主體工程初具規(guī)模

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(資料圖)

在懷柔科學(xué)城，大科學(xué)裝置——高能同步輻射光源正在建設(shè)中。經(jīng)過(guò)四年建設(shè)，工程主體已經(jīng)初具規(guī)模。從空中俯瞰，高能同步輻射光源由三棟主體建筑構(gòu)成，整體建筑外形好像一個(gè)放大鏡，用以“探測(cè)微觀世界”。從畫面不難看出，綜合實(shí)驗(yàn)樓和用戶服務(wù)樓構(gòu)成了“放大鏡”的“手柄”，而最大的圓環(huán)狀建筑則是光源裝置區(qū)域，也是核心建筑，它是“放大鏡”的“鏡框”。聽說(shuō)建成后，這里能產(chǎn)生地球上“最亮的光”。

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“最亮的光”比太陽(yáng)亮度高1萬(wàn)億倍

如果把高能同步輻射光源比作一個(gè)放大鏡，我所在的位置就是最為核心的“鏡框”部分。因?yàn)榧铀倨餮b置還在建設(shè)調(diào)試，所以我們能夠近距離地來(lái)一探究竟。到2025年，高能同步輻射光源建成運(yùn)行后，將會(huì)產(chǎn)生世界上“最亮的同步輻射光”，它的亮度比太陽(yáng)亮度高1萬(wàn)億倍，可以照亮微觀世界，將成為科學(xué)家探測(cè)微觀世界的國(guó)之重器。

加速電子生產(chǎn)光照亮微觀世界

最亮的光究竟是如何產(chǎn)生的呢？在展板上有個(gè)原理圖，基本的原理就是加速電子、生產(chǎn)光。在直線加速器部分，高壓電子槍出來(lái)的電子能量加速到0.5個(gè)GeV，然后在增強(qiáng)器從0.5個(gè)GeV加速到6個(gè)GeV，也就是6000兆電子伏，最后電子再進(jìn)入到外面大的儲(chǔ)存環(huán)中，電子在這里接近光速的速度奔跑中，會(huì)沿著切線方向產(chǎn)生一束束非常關(guān)鍵的同步輻射光，用于我們的科學(xué)研究。

其實(shí)同步輻射光也比較好理解，因?yàn)樵谖覀兊娜粘Ｉ钪校幸粋€(gè)非常類似的場(chǎng)景，就好像下雨時(shí)，很多人有過(guò)這樣的經(jīng)歷，如果我們轉(zhuǎn)動(dòng)雨傘，沿著雨傘邊緣的切線方向會(huì)飛出一簇簇水珠，就好像是甩出去的一束束光。這些X射線光束發(fā)光的角度非常小，光子非常集中，所以照亮探測(cè)微觀世界的能力非常強(qiáng)。

看起來(lái)貌似簡(jiǎn)單，但是要讓看不見、以接近光速的速度奔跑的電子按照預(yù)定計(jì)劃的軌道運(yùn)行，其實(shí)難度非常之大。比如增強(qiáng)器部分，電子就是在中間的真空管道中一邊奔跑一邊增強(qiáng)能量。在這個(gè)過(guò)程中我們看到周邊的這些設(shè)備就是磁鐵，有二極鐵、四極鐵、六極鐵，它們南極北極的個(gè)數(shù)不一樣，對(duì)電子約束的效果也不一樣，可以一起來(lái)調(diào)整電子奔跑的方向、角度，通過(guò)極其精細(xì)地調(diào)控讓近光速奔跑的電子按照需要的軌道來(lái)運(yùn)行。

直線加速器電子束達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)

經(jīng)過(guò)四年建設(shè)，高能同步輻射光源不僅僅是整體工程主體已經(jīng)基本建成，今年3月直線加速器滿能量出束，成功加速第一束電子束。科研團(tuán)隊(duì)告訴記者，經(jīng)過(guò)一個(gè)多月調(diào)試之后，目前直線加速器電子束是已經(jīng)達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。增強(qiáng)器部分這些設(shè)備也已經(jīng)完成安裝和初步調(diào)試，下一階段將和直線加速器進(jìn)行聯(lián)調(diào)，要將電子束能量增強(qiáng)到6000兆電子伏，這也是非常非常關(guān)鍵的一步。

2025年，這一國(guó)之重器建成之后，最亮的同步輻射光將為我們探測(cè)微觀世界帶來(lái)哪些改變呢？讓我們一起期待。

高能同步輻射光源 未來(lái)應(yīng)用前景廣闊

正在建設(shè)中的高能同步輻射光源，是我國(guó)第四代同步加速器光源。記者說(shuō)，它們的演變就像黑白電視圖像到彩電、LED，再到4K高清。那么未來(lái)的地表最強(qiáng)光，都能應(yīng)用在哪些領(lǐng)域呢？

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高能同步輻射光源是一種提供高性能X射線的大科學(xué)裝置，核心構(gòu)成包括加速器、光束線、實(shí)驗(yàn)站等，具有發(fā)射度低、亮度高、能量高、穿透能力超強(qiáng)、分辨率高等特點(diǎn)，發(fā)射的同步光基本覆蓋紅外光、可見光、真空紫外、X射線等波段。

高能同步輻射光源工程總指揮 潘衛(wèi)民：通過(guò)我們高能同步輻射光源，可以看到這個(gè)納米級(jí)的物質(zhì)的變化，同時(shí)可以實(shí)時(shí)地、原位地跟蹤這個(gè)變化。對(duì)物質(zhì)的一些調(diào)控、物質(zhì)的生成，還有它制造當(dāng)中的一些應(yīng)力的變化，可以進(jìn)行深入的研究，這樣對(duì)新材料和我們一些高檔的材料，比如說(shuō)航空材料的制備、服役以及它的應(yīng)力的分析大有幫助。

目前我國(guó)已完成四代同步輻射光源的布局，其中第一代同步輻射光源是北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)上寄生的北京同步輻射裝置，第二代同步輻射光源位于合肥，第三代同步輻射光源位于上海，第四代則是正在懷柔建設(shè)的高能同步輻射光源，它側(cè)重于物質(zhì)微結(jié)構(gòu)及其演化的研究，未來(lái)將逐步應(yīng)用到航空航天、能源環(huán)境、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。從第一代到第四代同步輻射光源的發(fā)展，就像從黑白電視、彩電、LED到4K高清的演變。

高能同步輻射光源工程總指揮 潘衛(wèi)民：這也是世界上最亮的光源之一，相當(dāng)于我們的手電筒，剛開始是散光的，照不到很遠(yuǎn)，照得很模糊，后來(lái)發(fā)展到手電筒是非常強(qiáng)光的，非常亮，照得很遠(yuǎn)，同時(shí)物體看得清楚。我們可以對(duì)一個(gè)微觀物質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)、原位、多維度表征探測(cè)。在能源、生命科學(xué)、醫(yī)藥衛(wèi)生、石油化工、物質(zhì)材料的新材料的開發(fā)方面都有很多應(yīng)用。

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