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超级“显微镜” 借你“慧眼”看世界

2019-02-12 09:56来源:经济日报

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  中科院专家在参观高能同步辐射光源验证装置的储存环标准单元模型。  记者 沈 慧摄

  我国第四代同步辐射光源有望于今年年中正式开建,新装置建成后,将拥有世界最高光谱亮度,为基础科学和工程科学等领域的原创性、突破性创新研究提供重要支撑平台

  北京玉泉路,中科院高能物理研究所内,一个“庞然大物”静静俯卧着——这就是我国第一代同步辐射光源装置,曾为抗击“非典”等科学研究立下汗马功劳:2003年,我国科学家利用同步辐射光成功测定了SARS病毒主蛋白酶的结构,为抗病毒药物研制提供了重要信息。如今,这个“庞然大物”已有些“老态龙钟”。

  可喜的是,我国第四代同步辐射光源——高能同步辐射光源核心技术日前完成验证,今年年中有望正式开建。

  “高能同步辐射光源的验证装置总体性能达到同类设备国际先进水平,部分技术填补了国内空白,具备了建设高能同步辐射光源的能力。”验收现场,由中科院院士陈佳洱担任验收主任的委员会给出这样的评价。

  按照业界划分,5—8GeV(1GeV=10亿电子伏特,能量越大,分辨率越高)属于高能区,目前世界上已有3个高能同步辐射光源装置,其最高能量分别是8GeV、7GeV、6GeV,分别为日本、美国、欧洲拥有。

  根据计划,高能同步辐射光源建成后,将拥有世界最高光谱亮度,高于目前世界上现有、正在或即将建设的光源,预计耗资48亿元。

  这个不惜斥巨资打造的国之重器的功能是什么?中科院高能物理研究所研究员张闯打了个比方:超级显微镜。

  由于分辨率的限制,普通光学显微镜下看到的物质微小结构往往是一个模糊的光斑,科学家无法从分子层面研究活细胞。电子显微镜虽然可以看得更小更清楚,但由于电子必须在真空中运行,只能用来观测固体标本,不能用于活体观测。

  “鱼”和“熊掌”能否兼得?同步辐射光源装置的出现,让科学家们看到了希望,但是否拥有足够的亮度是个重要指标。“这就好比打个手电筒看东西,手电筒越亮,自然看得越清楚。”张闯向经济日报记者解释道。

  为制造能量更高、亮度更强的光,人类发明了可产生这种光的大工具——同步辐射光源。

  为了获得更高的分辨率、看得更细,我国在北京建成第一代同步辐射光源后,又相继建成合肥(第二代)同步辐射光源、上海(第三代)同步辐射光源。这两个处于低、中能量区的大实验装置由于所处能量区的限制,虽然能够“看见”所观察物质的分子结构,但是依然不能捕捉其变化过程,特别是在真实状态下物质结构的变化过程。

  “有了高能同步辐射光源,科学家们就可以根据实际应用或研究需要,生产出亮度更高的X光,借助这双‘火眼金睛’,科学家们不仅可以清晰地看到物质的分子结构,还可以进一步观察其运动状态。”张闯告诉记者。

  除了开展科学研究,科研人员还可以利用高能同步辐射光源,进一步探测分析飞机发动机材料在工作状态下的结构,为相关材料攻克提供更多信息;随着集成电路集成度越来越高,具备高分辨成像能力的高能同步辐射光源将会成为诊断精密部件内部缺陷的主力。

  “围绕新一代同步辐射光源的核心装置,如高能加速器、光束线和实验站等多个关键技术难点进行攻关,成效显著。”中科院高能物理研究所研究员秦庆介绍,探测器是所有同步辐射实验最核心的部件,每种实验都对探测器提出特殊的要求,如何得到优化的高性能探测器对保证实验质量和提高实验效率具有十分重要的意义。

  秦庆告诉记者,目前国际上提供常规先进探测器的厂家仅有几家,价格昂贵,而且无法根据实验需求进行专门设计生产,售后服务存在困难。同时,一些实验室研发的探测器主要针对一些特定的实验,难以推广普及。

  据介绍,研究团队针对北京高能同步辐射光源的实际需求和未来同步辐射探测器发展趋势,研制了可同时满足空间分辨、能量分辨、大的动态范围以及快速读出时间等需求的二维像素阵列X射线探测器样机,为未来北京高能同步辐射光源开展各种高质量实验提供了重要工具和手段。

  “高能同步辐射光源建成后,将为基础科学和工程科学等领域的原创性、突破性创新研究提供重要支撑平台。”秦庆表示。(沈慧)

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