謝治:合肥籌建國際上最先進的低能區第四代同步輻射光源

【文/ 觀察者網專欄作者 謝治】

據新華社11月10日報導，在成功建設運行我國第一臺專用同步輻射光源的基礎上，合肥綜合性國家科學中心正籌建國際上最先進的低能區第四代同步輻射光源。日前，該光源預研方案已通過專家論證並正式啟動。
一周以內，又有類似大科學裝置、科學中心等相關新聞紛至沓來，我就來介紹一下這個是用來幹嘛的。

什麼是同步輻射？

首先，同步輻射是一種光。

其次，同步輻射和同步這個詞的關係不大，只是它最初是在通用電器的一個同步加速器上被發現的，故而被定名同步輻射。正如X射線又被稱為倫琴射線一樣。

再次，產生它其實「只」需要三個條件：1，帶電粒子（常用如電子，氦原子核）；2，帶電粒子非常接近光速運動（一般專業點稱之為相對論性的速度，即達到此種速度，其性質就可以套用相對論公式，而經典物理的公式已經無法描述其各種性質了）；3，帶電粒子非常接近光速的情況下時走曲線。

此時，這個曲線上的切線方向上就會放出這種同步輻射。比如下雨天很多人打傘都喜歡轉傘，傘沿甩出的水珠就是走的所謂切線方向。（請在四下無人時嘗試，小朋友不要亂學哦）

所以，同步輻射就是一種光。

我們用的也就是這種光，這種光是一種全頻譜即包含紅外線，可見光，紫外線和X射線全光譜的光，這種光最突出的優點方便大家理解的可以概括為全且亮。（實際上還有很多優點，如高偏振，窄脈衝，高準直等）

可見光只是所有的光中極小一部分

產生同步輻射光的我們稱之為同步輻射裝置，又稱同步輻射光源。既然稱光源可能有一個比較，就是常規光源，大家在醫院拍攝X光，拍CT用的就是常規光源。它們優點是結構簡單，缺點是基本是單光譜，而且亮度不夠。

當探測到微觀世界時，光就成了我們的尺子，而刻度就是光的波長。

這時同步輻射的優勢就出現了，不僅全光譜而且可以簡單分離出其中任意波長的光。對於什麼尺寸的東西我們用什麼尺寸的光來研究，因為這時衍射散射的條件才具備。同時高亮度就意味著我們能更快看清微觀世界的信息。

前面提到亮度不夠主要是針對我們探測微觀世界時的需求。正如大家夜間在家找東西，最簡單的照明方法就是打開家中最亮的燈，讓眼前一目了然，從科學意義上講，就是更多的光子被你的眼睛接受，讓你大腦更快對周邊所有情況有所了解。而同步輻射就是我們探測微觀世界時那盞最明亮的燈，到微觀世界後，分到一個相對你桌上任何一個你可見或你需尋找的東西，我們通常研究的都是它的千分之一到百萬分之一尺寸上的東西，要確保足夠的光子打到上面並散射衍射再被探測器探測到，沒有足夠的亮度（光子數），我們就需要足夠的時間。

比如探測兩個原子之間化學鍵的共振信號，需要N個光子，如果每秒只有一個光子打在這個鍵上，並產生信號，那麼之後你就需要等N秒，而有N個光子時，你便只需一秒。當N不過是幾十這個量級時，等上一分鐘似乎並不成問題，但當這個數量級達到十億這個量級時，三十年就一晃而過了。

各代光源最主要的差別（一二代之間除外），以及提高的參數其實主要就體現在亮度上。而這一步步的升級其實就是一級級更高層次的科研平臺，基本和奧運追求一樣：更高，更快，更強。

我們中國截止目前有四個作為大科學裝置的同步輻射光源（所有同步輻射裝置都屬於大科學裝置範疇）正在運行，北京正負電子對撞機（BEPC，在北京高能所內），合肥國家同步輻射實驗室（NSRL，在中國科學技術大學西區內），上海光源（SSRF，位於張江）以及坐落於臺灣新竹的同步輻射裝置。

北京正負電子對撞機被稱為一代光源，合肥國家同步輻射實驗室被稱為二代光源，上海光源被稱為三代光源。現在要建的就是四代光源。其中一個主要升級的性能就是亮度，就是更快看清微觀世界。

不僅合肥要建，北京，上海等地也都要建。一言以蔽之：科技進步了，也有更進一步的需求了，而且各自要建的也是各有專長。國家在做規劃時也不希望重複做同樣的東西，搞粗放型擴張，更希望各擅勝場，齊頭並進。我們主要的特點是在低能端（小於2Gev），北京上海將主要覆蓋中高能端。

一般來說同步輻射光源都是近似這個樣子。

圖2，八個世界著名的國外同步輻射光源

內部結構以國家同步輻射實驗室為例：

NSRL的結構圖，基本的同步輻射裝置一般都是由一個直線加速器，電子儲存環和實驗線站組成 

直線加速器一般深埋地下，它們負責把電子加速到接近光速

電子儲存環，光速的電子束被磁場引到此處，便會將會被一個強大磁場約束在這個環內一圈圈跑，每次轉彎便給切線方向的線站送去一波脈衝的同步輻射光，每秒光會在NSRL儲存環裡轉上超過450萬圈。利用這種脈衝性，我們可以研究一些快速化學反應或物理過程的中間態

實驗室內部俯瞰圖，中間就是儲存環，外圍就是一個個線站，這些線站就是作為科學研究的一個個平臺，提供給全國科研工作者使用，儲存環被一米厚的鉛牆包裹在裡面，使得線站工作環境的輻射劑量比在陽光下還小

第一代光源和第二代光源其實並沒有本質上的區別，只是第一代光源設計主要是用來做高能物理實驗，即加速帶電粒子到光速，再讓它們去撞擊其他粒子，研究包括核內微結構，基本粒子性質等一系列你懂的，你不懂的，你希望懂的以及你根本不理解為何要懂的科學問題。

它提供同步輻射來研究屬於「票友」性質，被稱為兼用光源，作為同步輻射光源時，它叫北京同步輻射裝置（BSRF）。

從二代光源開始同步輻射裝置才正式成為專用光，設計上與一代便各有側重。

北京正負電子對撞機和合肥國家同步輻射實驗室都是文革後很快立項九十年代初通過驗收（北京正負電子對撞機八八年完成第一次正負電子對撞，九零年驗收；合肥國家同步輻射實驗室九一年出光，同年底通過驗收）。

各種時間節點幾乎就有很多值得說的地方，期間很多困難挫折令人唏噓，此處只能略過。很多院士教授們自己學了工具機來加工在當時中國只存在帶回的資料上描述的各種零部件。

但當我們真正做起來，等到我們準備升級時，全世界的供應商基本全來了，因為他們知道已經不可能封鎖我們了，他們不賣，只會讓自己蒙受損失。

2010年10月我曾在法國做過短暫的訪問研究，在法國SOLEIL（光源全稱的縮寫，這個法語單詞意思就是太陽）光源時，一個叫Patrick的義大利科學家和我說過一句令我印象深刻的話：「Except detecter, everything is from China.(除了探測器，所有其他都是從中國來的)」。我問了一下探測器哪來的，答：德國。顯然，我們已經是毋庸置疑的製造大國，但是在有些最尖端領域上還略遜於世界最高水平。

這是Patrick向我展示他最愛的一個中國產工具：手電筒，同組法國科學家打趣道：嗯，那也是個光源

第三代光源九十年代就進行了大量的準備，但是在是2004年才通過審批開始動工的，其實就是國家要做統籌。從能量分布上，合肥0.8Gev，中低能端，北京2.2Gev，中能端，上海3.5Gev，中高能端。

這個能量和全光譜的分布有關。每個光源的全光譜的能量分布並不均衡，呈現一個拋物線，中間高兩邊低，對於合肥光源來說這個峰在紫外波段，北京在軟X射線波段，而上海在硬X射線波段。確實可以稱之為合理布局，在有限財力下的最優配置。

不要小看這個，合肥國家同步輻射實驗室的能量最低，但每年光水電費就仍以百萬計。隨著能量的提高，這個耗費將更為巨大，而同時，所有申請到所有同步輻射裝置進行各種科學實驗是完全免費的，我就不重複三遍了，但確實很重要。

與此相對應的是，日本乃至世界能量最高的同步輻射裝置SPRing8（8Gev），使用起來需要交納每小時六萬日元的費用。所以，這種實驗平臺的建立和維持除了一個高素質科學和工程團隊，還需要國家每年的投入的各種積累。不僅我們同步輻射裝置，很多大科學裝置和大科學平臺都是如此，國家的目的也很明確，希望構建一個個更高水平的實驗平臺，提供給全國的科研工作者使用，提高我國的整體科研水平。近期各項科研成果的井噴，就是這種積累顯現的效果。

當然現在時代不一樣了，國家有錢，也願意在這個方向上投資，因為至少到現在為止，同步輻射仍是對微觀世界研究的最有效且系統的工具，沒有之一。歷任黨和國家領導人也都視察過國家同步輻射實驗室。

絮絮叨叨這麼久，可能很多人仍然在關心，同步輻射到底能做什麼，我還是先舉些例子。

我來列舉一些大家可能感興趣的同步輻射的應用。

首先我們一起來看看我們從哪裡來？西伯利亞發現的5億年前寒武紀古蠕蟲化石晶胚，利用同步輻射X射線斷層顯微（SRXTM）技術，研究古蠕蟲晶胚的演化，揭示生命的早期發展，這個工作發表於2006《自然》。（SLS,Swiss,2006）Nature 442, 680-683 (2006)

圖4、5億年前寒武紀古蠕蟲化石晶胚

利用X射線螢光（XRF）成像技術研究阿基米德重寫本，發現在一頁紙上同時既有阿基米德文字，又有經文，還有偽造的畫。(SLAC, USA，2006)

阿基米德（公元前287年-公元前212年）的羊皮卷

利用X射線螢光成像技術，僅用兩天時間測量Hg, Sb, Pb等元素在梵谷油畫中的分布，從而重構出底層畫像。Analytical Chemistry 80(16): 6436(2008)。才發現原畫是如草坪這樣的印象派畫作，但是實際上裡面有一張人臉的畫，只是被油彩再次覆蓋。

梵谷的畫

古代石碑上的文字已模糊不好辨認，但是在同步輻射光照射下，卻清晰顯現了。

古代石碑

我們實驗室曾承擔一個973國家重點基礎研究發展計劃，其內容簡單來介紹就是「快速CT成像」。現在醫院拍一個CT常需要十幾到幾十分鐘拍攝，再等幾十分鐘出片，而利用同步輻射只需要幾秒延遲，便可以瞬時成像（註：實驗對象為大鼠前爪），骨骼、血管、肌腱都清晰可見（專業詞彙：高襯度），一旦成功乃至推廣開來，可以手術的過程中同時看到患者整個身體骨骼肌肉的各種情況，確保手術全程全視野無死角。這個工作在國際上被譽為「近二十年來X射線成像的重大突破」。

上海復旦大學張新夷教授研究組利用同步輻射技術研究了穴位（註：實驗對象為兔子），結果表明，有些穴位相當於物資存放站，富含鈣鐵鋅硒等各種元素，但是針灸這裡不會引起這些元素的濃度變化，而有些穴位則相當於調度站，針灸這裡時，同一條經脈的物資存放的穴位的鈣鐵鋅硒離子將快速沿經絡重新分布。進一步的研究表明，一些穴位中的鐵是以五配位的形式存在，而在正常條件下，五配位的鐵是不穩定的，很容易被氧化為六配位的鐵。

而按摩這些穴位時，這些五配位的鐵確實會轉變為六配位的鐵。這解釋了為何我們按摩穴位時會產生酸麻痛的感覺，實際上，在我們的穴位裡正發生著電化學的反應，感覺的差異，除了自身的感受性強弱，還有電化學反應的強弱。

另外2005年完成的人類基因組計劃的結構解析絕大部分工作都是在同步輻射裝置上完成的。曾有人預估如果都用常規光源，全人類得用幾百年才能解完。

這種即便非常有用，我們也不能故步自封，所以說了這麼多，終於又回到最初那個新聞上。就是為什麼要建的問題，建了有什麼意義的問題。第四代光將繼續在實現亮度提高上做文章，北京和我們的第四代光源都是用衍射極限環，特點是高相干性，高亮度，比現在亮度提高一百倍，理論上，測得同樣的信號，測試時間可以縮短為原來的一百分之一。

這是目前得到最廣泛認可的提高性能的最優解。在這種技術支持下，我們將清晰地進行納米級別的結構研究，我們將很有可能直接觀測到電荷的運動。或許，超導以及超流動性的秘密即將被解開。（題外話，我拿到的第一個青年基金就是做一個低溫實驗平臺，我曾躊躇滿志想要研究超導和非超導下的電子結構，設計並做了自以為非常詳盡的實驗，然後就沒有然後了，做出了一堆其他不知是否有用的結果，在超導上毫無發現，所以對於新光源帶來的進步，我其實有不少期待。）

簡而言之，同步輻射就是一種光，光能用來幹什麼，同步輻射就能做什麼。在探索微觀世界時，我們做得快，做得好。國家出錢，我們出力，免費提供給大家的高質量的實驗研究平臺。未來新的合肥光源以及其他中國新的光源的建立也都是為了我們國家整體研究能力的提高鋪的下一層基石。

想想似乎這樣講意義更好：想要避免1840到1949間一百多年中華民族蒙受那種種苦難，在現有的知識框架下是完全不可能，但要避免它們再次發生，似乎我們現在就可以參與其中，人無遠慮，必有近憂，一萬年太久，只爭朝夕。

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