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最“亮”的光照亮微觀世界 | 探訪高能同步輻射光源

來源:高能論壇2022-12-13 我要評論(0 )   

說起光源,你會想到什么?或許是太陽、電燈,抑或是燃燒著的蠟燭……這些光源發(fā)出的我們?nèi)庋劭吹靡姷墓?,被稱為可見光。不過,在光的大家族中,可見光只是其中很小的一...

說起光源,你會想到什么?或許是太陽、電燈,抑或是燃燒著的蠟燭……

這些光源發(fā)出的我們?nèi)庋劭吹靡姷墓?,被稱為可見光。不過,在光的大家族中,可見光只是其中很小的一部分,還有無線電波、微波、紅外線、紫外線、軟X射線、硬X射線、伽馬射線等許多肉眼看不見的光。借助這些看得見、看不見的光,人類不斷探索著未知世界。

在北京懷柔科學(xué)城,有一個全球最“亮”的光源正在建設(shè)之中。如同一個超大號的X光機,它可以“照亮”微觀世界,通過對微觀結(jié)構(gòu)多維度、實時、原位表征,為物質(zhì)做“體檢”,揭示物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)生成及演化機制。

它就是我國建設(shè)的首臺第四代同步輻射光源——高能同步輻射光源(HEPS),也被稱為“希望之光”。

那么,什么是高能同步輻射光源?它到底有多亮,有何特別之處,如何發(fā)揮作用?記者帶您走近國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施高能同步輻射光源。

裝置簡介:高能同步輻射光源(HEPS)是國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃布局的大科學(xué)工程項目之一,是我國第一臺高能同步輻射光源,也是世界上亮度最高的第四代同步輻射光源之一,建成后將成為世界最先進(jìn)的X射線光子科學(xué)研究平臺之一,作為探索物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與變化過程的強有力的科學(xué)工具,為基礎(chǔ)科學(xué)和工程科學(xué)等領(lǐng)域原創(chuàng)性、突破性創(chuàng)新研究提供重要支撐。項目由中國科學(xué)院高能物理研究所作為法人單位承擔(dān)建設(shè)。

能量更高、亮度更強 

物質(zhì)內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)“看”得更清


從空中俯瞰,高能同步輻射光源由三棟主體建筑構(gòu)成,整體外形如同一個放大鏡,寓意“探測微觀世界的利器”。

其中,綜合實驗樓和用戶服務(wù)樓構(gòu)成“放大鏡”的“手柄”,最大的圓環(huán)狀建筑則是光源裝置區(qū)域,如同“放大鏡”的“鏡框”。

這個“鏡框”就是高能同步輻射光源的核心建筑。建成運行后,“最亮的光”便將從這里發(fā)出,穿透未知謎團(tuán),幫助我們看清那些未曾見過的世界。

“在這個主體建筑里,分布著電子注入器(直線加速器+增強器)、電子儲存環(huán)、光束線站等?!盚EPS加速器物理系統(tǒng)負(fù)責(zé)人、中國科學(xué)院高能物理研究所研究員焦毅告訴記者。

它是這樣工作的:位于源頭的電子槍產(chǎn)生高品質(zhì)的電子束,經(jīng)直線加速器將電子束加速到0.5GeV的高能量,注入周長450多米的環(huán)形增強器,繼續(xù)提高能量到額定的6GeV。此時的電子束無限接近光速,然后被注入至更大的圓環(huán)——周長1360米的儲存環(huán),以接近光速的速度保持運動。在儲存環(huán)上的不同位置,電子束通過彎轉(zhuǎn)磁鐵或者各種插入件時,會沿著偏轉(zhuǎn)軌道切線方向釋放出穩(wěn)定而且高能量、高亮度的光——同步輻射光。

“你可以把HEPS看成一個具有超精密、超快、超穿透能力的巨型X光機,就像我們在醫(yī)院拍X光片可以穿透衣服、皮膚看清身體的骨肉一樣,HEPS產(chǎn)生的小光束可以穿透物質(zhì)、深入內(nèi)部進(jìn)行立體掃描,從分子、原子尺度觀察微觀世界之中的時空流變?!苯挂愀嬖V記者。

記者了解到,X射線被視為探測物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探針,其亮度越高,物質(zhì)內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)便“看”得越清楚。自一百多年前倫琴發(fā)現(xiàn)X射線以來,科學(xué)家們不斷創(chuàng)新技術(shù),去獲取能量更高、亮度更強的X射線。同步輻射光源就是其中一種重要的X射線源。

據(jù)了解,接近光速的帶電粒子在做曲線運動時沿切線方向發(fā)出的電磁輻射,即為同步輻射光?!熬拖裣掠陼r,我們快速轉(zhuǎn)動雨傘,沿著雨傘邊緣的切線方向會飛出一簇簇水珠?!盚EPS工程常務(wù)副總指揮、中科院高能所副所長董宇輝解釋說,與常規(guī)X射線相比,同步輻射光源產(chǎn)生的同步輻射光頻譜更寬——覆蓋紅外光、可見光、紫外光和X射線波段,亮度更高——高出常規(guī)X光機產(chǎn)生的X光4至14個量級,可用于高穿透性、高時空分辨的實驗,另外相干性和準(zhǔn)直性也更好。

一直以來,我國都很重視同步輻射光源的發(fā)展建設(shè)。迄今,我國大陸地區(qū)已經(jīng)完成了三代同步輻射裝置的發(fā)展建設(shè)。第一代是1989年建成的依托北京正負(fù)電子對撞機的北京同步輻射裝置,第二代是1990年建成的合肥同步輻射光源,第三代則是2009年建成的上海光源。開放運行以來,各裝置孕育了許多重量級的科學(xué)研究成果。

既然已經(jīng)有了這么多個同步輻射光源,為何還要建設(shè)HEPS?

據(jù)介紹,根據(jù)加速器中電子的能量,同步輻射光源可以分為低能、中能、高能三種,低能同步輻射光源側(cè)重于功能研究,比如化學(xué)反應(yīng)、超導(dǎo)電性、磁性等;中、高能同步輻射光源側(cè)重于研究結(jié)構(gòu),可用于觀察單晶生長、蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)、航空發(fā)動機單晶葉片的結(jié)構(gòu)缺陷等。

“在HEPS之前,我國同步輻射裝置均為中低能區(qū),還沒有高能光源?!苯挂愀嬖V記者,HEPS填補了我國高能同步輻射光源的空白,也將是世界上亮度最高的第四代同步輻射光源之一。

“HEPS儲存環(huán)中電子能量達(dá)6GeV,可提供300keV的高能X射線。作為第四代同步輻射光源,HEPS儲存環(huán)由48個多彎鐵消色散單元構(gòu)成,電子發(fā)射度更低,亮度比第三代光源要高出100倍,是太陽的100萬倍。”焦毅介紹,如同在黑暗處使用手電筒照明,手電筒越亮看得越清楚,HEPS可以把X光聚焦到納米尺度,讓我們更清楚地了解物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

施工難度和工藝要求前所未有

“卡脖子”技術(shù)問題被一一破解


HEPS于2019年6月啟動建設(shè),計劃2025年建成驗收。當(dāng)前,正處于基建收尾、設(shè)備安裝并行階段。

加速器是HEPS的核心部分,包括直線加速器、增強器和電子儲存環(huán)。“目前,直線加速器和增強器設(shè)備安裝基本完成,電子儲存環(huán)也已經(jīng)啟動安裝?!苯挂愀嬖V記者,最近他正忙著為直線加速器的束流調(diào)試做準(zhǔn)備。

HEPS加速電子,產(chǎn)生更高亮度、能量和精度的同步光,從而更好地解析微觀結(jié)構(gòu)。但讓“調(diào)皮”的電子抱得更緊,并“聽話”地按照預(yù)定的軌道高速運動,并不容易。

“你知道嗎?未來,裝置投用后,電子束在周長1300多米的儲存環(huán)中跑一圈只需要4.3微秒,而其運動孔徑僅有22毫米,所以任何一點細(xì)微的偏差都會導(dǎo)致電子束的損耗,影響同步光的質(zhì)量?!苯挂愀嬖V記者,HEPS對加速器物理及技術(shù)均提出了非常“極限”的要求,施工難度前所未有,工藝要求前所未有。

焦毅給記者舉了一個例子。在儲存環(huán)建設(shè)施工過程中有這樣一個指標(biāo):儲存環(huán)在1至100Hz范圍內(nèi)地面振動的均方根位移積分不能超過25納米?!笆┕挝回?fù)責(zé)人當(dāng)時的第一反應(yīng)是‘不可能實現(xiàn)’?!?/section>

他們沒有因此降低標(biāo)準(zhǔn)。因為超了,實驗精度就無法保證。最終,團(tuán)隊創(chuàng)新設(shè)計施工,達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)要求。“后續(xù)我們也會不斷跟蹤,根據(jù)加速器物理和光束線站要求,積極采取各種減震措施,確保微振動指標(biāo)達(dá)標(biāo)?!盚EPS工程總指揮、中科院高能所研究員潘衛(wèi)民說。

在已經(jīng)完成主體設(shè)備安裝的增強器隧道中,一眼望去,記者被許多五顏六色、形狀各異的“大家伙”所吸引?!斑@是磁鐵系統(tǒng),第四代同步輻射光源中最為關(guān)鍵的系統(tǒng)之一,控制著電子的方向。”焦毅介紹,加速器絕大多數(shù)能看到的設(shè)備都是磁鐵。在環(huán)形增強器中,僅磁鐵就有數(shù)百塊。而在儲存環(huán)中,使用的磁鐵數(shù)量將超過1700塊。

記者了解到,不同顏色的磁鐵具有不同的功能。比如,紅色的長方體狀磁鐵是二極鐵,可以讓電子“轉(zhuǎn)彎”;藍(lán)色的有四個極頭的磁鐵是四極鐵,可以把那些“想往外跑”的電子拉回“正途”、與其他電子抱得更緊;六極、八極磁鐵則是為了讓電子運行的速度軌跡更加趨于一致。

“HEPS所使用的磁鐵可以說達(dá)到了磁鐵技術(shù)的極限,無論是從技術(shù)上,還是加工工藝、安裝工藝上?!苯挂阏f,其加工精度及安裝準(zhǔn)直誤差均為10微米量級。

同時,光束線站方面的技術(shù)攻關(guān)也不斷取得新突破,比如HEPS首批分析晶體完成在線測試,首臺自研鏡箱和單色器通過出廠驗收等。

“雖然在硬件設(shè)計和工程推進(jìn)過程中遇到了不少問題和挑戰(zhàn),甚至是‘卡脖子’技術(shù)問題,但都在大家的齊心協(xié)力下被一一破解?!睉浖罢麄€項目團(tuán)隊數(shù)年來的艱辛付出,焦毅感慨,他們不斷攻堅克難,用實際行動推進(jìn)科技創(chuàng)新、詮釋匠人精神,“只有把關(guān)鍵核心技術(shù)牢牢掌握在自己手里,才能真正掌握競爭和發(fā)展主動權(quán);只有在所有的細(xì)節(jié)上做到極致,才能最終得到一個極致的結(jié)果?!?/section>

將在先進(jìn)材料等諸多領(lǐng)域大顯身手

為提升我國原始創(chuàng)新能力貢獻(xiàn)力量


在電子儲存環(huán)之外一墻之隔,是HEPS的實驗大廳,各光束線站的位置所在。光束線站是HEPS的主體部分,是HEPS服務(wù)用戶的客戶端,也是科研人員利用光源開展科學(xué)研究、產(chǎn)出科研成果的地方。

隔離墻也十分與眾不同。與我們平時見到的平整墻面不同,每隔一段距離,這個隔離墻就會有一個“鋸齒”狀凸出,“鋸齒”上有一個45公分見方的小“窗戶”。

“這是前端區(qū)的出光孔,是連接儲存環(huán)和實驗站的‘橋梁’?!盚EPS結(jié)構(gòu)動力學(xué)線站負(fù)責(zé)人、中科院高能所副研究員張兵兵告訴記者,未來,同步光將從這個孔射出,根據(jù)實驗需求經(jīng)調(diào)制后進(jìn)入實驗站供各領(lǐng)域用戶開展科學(xué)實驗。“從加速器引出的寬頻譜、光斑尺寸相對大的同步光,并不能直接給用戶使用,需要經(jīng)過光束線上單色器、聚焦鏡等一系列的光學(xué)元件,從寬波段的‘白光’里,挑選出波長單一的單色光,并進(jìn)一步將光斑尺寸聚焦到更小的尺寸,才能供用戶開展更高精度的實驗。”

據(jù)介紹,HEPS建設(shè)高性能光束線站的容量不少于90條,首批建設(shè)14條面向用戶的公共光束線和相應(yīng)的實驗站,可提供納米空間分辨、皮秒時間分辨、毫電子伏能量分辨的同步光。

“高能光源可提供能量達(dá)300keV的光,意味著穿透金屬等工程材料可達(dá)毫米,甚至厘米級,比常規(guī)中低能光源提高3至4個數(shù)量級,改善淺表信號難以評估材料整體性能的困境;空間分辨可達(dá)10納米,保證穿透能力的同時,有效覆蓋光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡之間的空白區(qū);時間分辨達(dá)到皮秒量級,1萬億分之一秒,光只能走10根頭發(fā)絲粗細(xì)的距離,可以探測金屬3D打印、動態(tài)加載等超快時間尺度下的動態(tài)不可逆過程?!睆埍f。

記者了解到,不同線站都有其擅長的實驗方法,可支持先進(jìn)材料、航空航天、能源、環(huán)保、醫(yī)藥等領(lǐng)域前沿科學(xué)研究。在為眾多用戶提供常規(guī)技術(shù)支撐的同時,還將為國家發(fā)展戰(zhàn)略和工業(yè)核心迫切需求的研究領(lǐng)域提供多維度、實時、原位的表征平臺,為工程材料的成分設(shè)計、制造工藝優(yōu)化、缺陷表征、服役性能等提供全壽命周期的結(jié)構(gòu)信息和評價手段。

“HEPS的光具有高能量、高亮度、高相干等特點,高空間分辨的‘魚’和高時間分辨的‘熊掌’可以兼得,可以進(jìn)一步提高實驗的信噪比,進(jìn)一步擴展研究對象到更小的納米顆粒材料、微細(xì)通道的流體力學(xué)等?!睆埍榻B說,比如,可以原位觀察單晶的生長過程,揭示單晶葉片缺陷的形成機制和等軸晶—柱狀晶轉(zhuǎn)變機理;對工程材料開展全壽命周期多尺度表征,探究材料在制造和服役過程中的失效因素;解釋重要蛋白的功能,推動新藥發(fā)明,等等。

“簡單來說,就是從飛機發(fā)動機到病毒蛋白質(zhì),未來都能在這里進(jìn)行‘體檢’?!睆埍榻B說,比如有的工程材料可能存在雜質(zhì)和斷裂等問題,僅憑肉眼很難看清,但通過HEPS就能一下子讓問題一覽無余。

創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展。作為“探測微觀世界的利器”,HEPS建成后,將堅持“四個面向”“兩加快一努力”,為提高我國在基礎(chǔ)前沿和交叉科學(xué)領(lǐng)域的原始創(chuàng)新能力和科技綜合實力貢獻(xiàn)力量。

“期待HEPS的第一束光?!苯挂恪埍硎?。

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