追逐原始創(chuàng)新之“光”

在懷柔雁棲湖畔，一個(gè)周長(zhǎng)1.36千米的“放大鏡”形建筑占據(jù)了967畝的區(qū)域，約90個(gè)足球場(chǎng)大小。2023年3月14日，這里剛剛成功加速了裝置的第一束電子束，向產(chǎn)生世界“最亮的光”又邁進(jìn)了一步。

從星辰大海到生命演化，人類對(duì)未知領(lǐng)域的探索離不開(kāi)大科學(xué)設(shè)施。在懷柔科學(xué)城，一座座“大國(guó)重器”正在落成。其中，這個(gè)被稱為“探測(cè)微觀世界利器”的“放大鏡”，格外引人注目。這將是我國(guó)第一臺(tái)高能同步輻射光源，也將成為世界上亮度最高的第四代同步輻射光源之一。

十年磨一劍。一群“追光的人”，等待世界最“亮”的同步光。

(資料圖片僅供參考)

填補(bǔ)空白的“追光人”

“為這一束電子，我們等了約十五年。”中國(guó)科學(xué)院高能物理所高能同步輻射光源加速器部副主任李京祎感慨。

光，照亮了物質(zhì)世界。李京祎和同事，是一群“追光的人”。

上世紀(jì)40年代末，科學(xué)界發(fā)現(xiàn)：就像雨中快速轉(zhuǎn)動(dòng)的雨傘，傘邊緣切線方向會(huì)飛出一簇簇水珠一樣，當(dāng)高能電子束團(tuán)被強(qiáng)迫在環(huán)形同步加速器上以接近于光速做回旋運(yùn)動(dòng)時(shí)，也會(huì)在切線方向發(fā)射出電磁波，這就是同步輻射光。

與常規(guī)光源相比，同步輻射光亮度高、覆蓋頻譜寬，就像是超級(jí)X光機(jī)，人們可以借助它觀察到物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)。自此，世界各國(guó)開(kāi)始了建設(shè)同步輻射裝置來(lái)構(gòu)建光源的“競(jìng)賽”。

北京是我國(guó)第一個(gè)大科學(xué)設(shè)施的誕生地。

玉泉路旁，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)“一機(jī)兩用”，進(jìn)行著正負(fù)電子的高能對(duì)撞。1988年至今，依托對(duì)撞機(jī)和北京同步輻射裝置，我國(guó)科研人員已產(chǎn)出一系列世界級(jí)科研成果，世界上第一個(gè)SARS冠狀病毒主蛋白酶蛋白質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)就在此得到解析。

而為了“看”到納米級(jí)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，放眼世界，發(fā)射度更小、亮度更高、分辨率更高的新一代光源建設(shè)從未停步。一步慢，步步慢，時(shí)不我待。這是我國(guó)高能物理研究者的信念——要建一臺(tái)高能光源，填補(bǔ)空白。

時(shí)針轉(zhuǎn)回2008年。這群“追光人”開(kāi)始對(duì)建設(shè)高能同步輻射光源的必要性和可行性進(jìn)行論證，歷經(jīng)近10年攻關(guān)，驗(yàn)證了技術(shù)路徑的可行性，完成了裝置的概念和工程設(shè)計(jì)。高能光源選址，則定在了北京懷柔科學(xué)城。

2019年6月，高能同步輻射光源破土動(dòng)工，爭(zhēng)分奪秒成為每位建設(shè)者的信條。工程指揮部成員的辦公室墻上，掛著一份工程建設(shè)零級(jí)進(jìn)度計(jì)劃圖，宏大的工程被細(xì)致分解為82步，成為52個(gè)分系統(tǒng)人員的“指揮棒”。一個(gè)個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)穩(wěn)步推進(jìn)的背后，是參與者廢寢忘食忙碌的身影。

自主創(chuàng)新啃下“硬骨頭”

要造出第四代高能同步輻射光源，點(diǎn)亮最“亮”的同步光，物理和硬件技術(shù)上要啃的“硬骨頭”一個(gè)接一個(gè)。

“其實(shí)，每一個(gè)大科學(xué)設(shè)施的建設(shè)，必然會(huì)遇到難題，這是避不開(kāi)的，只能面對(duì)它們，并且解決它們。”李京祎說(shuō)。

施工剛剛起步，一項(xiàng)地基施工的指標(biāo)就讓建設(shè)者們直呼“不可能”——防微振動(dòng)控制目標(biāo)要小于25納米，即要實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)“零沉降”。納米，這個(gè)從未出現(xiàn)在建筑規(guī)范中的單位，卻是未來(lái)光源實(shí)驗(yàn)精度的重要保障。裝置建設(shè)團(tuán)隊(duì)反復(fù)試驗(yàn)，用4個(gè)月里無(wú)數(shù)次失敗最終換來(lái)了答案：他們將光源儲(chǔ)存環(huán)隧道及實(shí)驗(yàn)大廳地基用厚達(dá)3米的素混凝土進(jìn)行基礎(chǔ)換填，保障光源地基穩(wěn)如磐石。

大裝置里面的“小家伙”也難關(guān)重重。

光源直線加速器是電子的源頭和第一級(jí)加速器，電子束要通過(guò)它加速到0.5吉電子伏特的高能量。這其中的關(guān)鍵部件之一，就是提供能量的微波功率源。雖然北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)上也有類似的設(shè)備，但其安裝的是基于老式人工線型調(diào)制器的功率源，高能同步輻射光源決定搭配“升級(jí)款”的固態(tài)調(diào)制器。

不過(guò)，“升級(jí)款”的固態(tài)調(diào)制器，全世界僅有一家企業(yè)有成熟產(chǎn)品，且價(jià)格十分昂貴。“我們下了決心，一定要自己研制出來(lái)。”李京祎語(yǔ)氣堅(jiān)定。

團(tuán)隊(duì)成員從理論模型的建立開(kāi)始，反復(fù)分析優(yōu)化，并不斷鉆研優(yōu)化變壓器繞線和整機(jī)集成工藝。“高壓脈沖變壓器是固態(tài)調(diào)制器的核心技術(shù)，不同的走線、纏繞方式，都會(huì)影響到產(chǎn)品的性能。我們前后鉆研了3年，迭代了6個(gè)版本，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)指標(biāo)。”

最終，當(dāng)固態(tài)調(diào)制器“就位”于光源現(xiàn)場(chǎng)，一項(xiàng)項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)在屏幕上跳動(dòng)，均達(dá)到“滿分”標(biāo)準(zhǔn)。這是代級(jí)的躍變！

期待“世界最亮”的光

歷時(shí)近4年建設(shè)，曾經(jīng)的荒草地上已經(jīng)“長(zhǎng)”出了三棟主體建筑，最大的圓環(huán)狀建筑便是光源的核心。

“在光源的建設(shè)過(guò)程中，北京市、懷柔區(qū)和懷柔科學(xué)城都給了我們很大的支持，全方位保駕護(hù)航，為‘大國(guó)重器’連通了‘生命線’。”李京祎說(shuō)起，2022年冬天，是光源主體建筑封頂、科研設(shè)備啟動(dòng)安裝的首個(gè)冬天。由于科研設(shè)備的準(zhǔn)直精度普遍在10微米量級(jí)，環(huán)境溫度的細(xì)微變化，都會(huì)導(dǎo)致設(shè)備準(zhǔn)直精度下降。以儲(chǔ)存環(huán)為例，其環(huán)境溫度必須保持在正負(fù)0.1攝氏度范圍內(nèi)，才能保證磁鐵等設(shè)備的就位精度。

面對(duì)如此嚴(yán)苛的需求，懷柔區(qū)迅速協(xié)調(diào)，及時(shí)解決了光源裝置區(qū)的水、電、供暖等問(wèn)題。“那個(gè)冬天，我們和光源的設(shè)備都感到特別溫暖。”李京祎笑道。

今年3月，高能同步輻射光源直線加速器“滿能量”出束，率先迎來(lái)“開(kāi)門紅”，每秒都有百億量級(jí)的電子從電子槍“射”出，其中約90%的電子能順利抵達(dá)末端，保證末端電荷量達(dá)到額定2.5納庫(kù)（1微庫(kù)＝1000納庫(kù)）以上。這也意味著，這座“大國(guó)重器”進(jìn)入科研設(shè)備安裝、調(diào)束并行階段，向產(chǎn)生世界最“亮”的同步光再邁進(jìn)一步。預(yù)計(jì)到2025年，高能同步輻射光源將建成運(yùn)行。

現(xiàn)在，光源最大的“環(huán)形加速跑道”——儲(chǔ)存環(huán)的安裝正在進(jìn)行。光源投入運(yùn)行后，儲(chǔ)存環(huán)中電子束在奔跑的過(guò)程中，將產(chǎn)生高亮度的同步光，幫助科研人員“照亮”實(shí)驗(yàn)樣品，更好地解析物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)及演變。

與儲(chǔ)存環(huán)一墻之隔，便是未來(lái)供用戶開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)站，大到飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、小到病毒蛋白質(zhì)，都能在這里“體檢”。

“基礎(chǔ)研究是科技發(fā)展的基石，我們期待光源的第一束光盡快到來(lái)！”李京祎說(shuō)。

【創(chuàng)新密碼】

用“大裝置”聚集天下英才

多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學(xué)成像設(shè)施工程竣工，將實(shí)現(xiàn)高端生物醫(yī)學(xué)影像儀器裝備的“中國(guó)創(chuàng)造”；我國(guó)首個(gè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置——“寰”通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收，成為懷柔科學(xué)城第一個(gè)正式運(yùn)行的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施；綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)入科研狀態(tài)……

從正式獲批建設(shè)至今，6年時(shí)間，懷柔科學(xué)城成為生機(jī)勃勃的科學(xué)研究熱土。這是全國(guó)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施集聚度最高的區(qū)域之一，已布局29座科學(xué)設(shè)施平臺(tái)。

伴隨著大科學(xué)設(shè)施的亮相，科研成果也加速涌現(xiàn)——

引力波暴高能電磁對(duì)應(yīng)體全天監(jiān)測(cè)器，是北京懷柔綜合性國(guó)家科學(xué)中心空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)室掛牌后發(fā)射的首個(gè)科學(xué)衛(wèi)星，得名“懷柔一號(hào)”，將持續(xù)探索深邃太空的奧秘；

中科院大氣物理所依托地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)大氣二氧化碳濃度的全耦合模擬，可為2060年碳中和的路徑優(yōu)化提供科學(xué)支撐；

中科院力學(xué)所研制了國(guó)際領(lǐng)先水平的復(fù)現(xiàn)高超聲速飛行條件激波風(fēng)洞和爆轟驅(qū)動(dòng)超高速高焓激波風(fēng)洞，大幅提升我國(guó)在空天宇航方面的地位；

……

懷柔科學(xué)城正向著世界級(jí)原始創(chuàng)新策源地發(fā)起沖擊。

在清華大學(xué)公共管理學(xué)院教授、中國(guó)科技政策研究中心副主任梁正看來(lái)，重大科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施是“大科學(xué)時(shí)代”科技發(fā)展的產(chǎn)物，其有助于提升國(guó)家創(chuàng)新體系整體效能，提高我國(guó)原始創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵核心技術(shù)突破。

“依托大科學(xué)設(shè)施來(lái)吸引和凝聚全球科學(xué)家和人才，是國(guó)際上比較通行的做法。”梁正說(shuō)，北京歷來(lái)重視重大科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，如北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)建設(shè)至今已有30余年，較早實(shí)現(xiàn)了高能物理領(lǐng)域多位實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家與理論物理學(xué)家的“引進(jìn)來(lái)”和“走出去”。懷柔科學(xué)城依托大科學(xué)設(shè)施集群，也提出了針對(duì)外籍人才的開(kāi)放共享戰(zhàn)略，推出相關(guān)城市服務(wù)供給與配套措施。

當(dāng)然，在依托“硬”設(shè)施吸引和凝聚國(guó)際尖端科技人才的同時(shí)，也需要系統(tǒng)謀劃完善發(fā)現(xiàn)、引進(jìn)、用好、留住高水平國(guó)際科技人才的“軟”制度體系。

完善“城”的功能，正成為今年懷柔科學(xué)城的重點(diǎn)任務(wù)。人才社區(qū)陸續(xù)竣工、基礎(chǔ)教育資源不斷增強(qiáng)、著力打造生態(tài)宜居創(chuàng)新示范區(qū)……“遠(yuǎn)看是花園、近看是家園”的宜業(yè)宜居環(huán)境正在這里形成。

【親歷者說(shuō)】

中科院物理所懷柔研究部主任呂力：

“這是物理學(xué)家夢(mèng)寐以求的研究平臺(tái)”

小于1毫開(kāi)爾文的極低溫、超過(guò)300吉帕斯卡的超高壓、至少26特斯拉的全超導(dǎo)磁體強(qiáng)磁場(chǎng)以及約100阿秒的超快光場(chǎng)……這是中國(guó)科學(xué)院物理研究所在懷柔科學(xué)城落地建設(shè)的綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置所能提供的實(shí)驗(yàn)條件。

所謂極端條件是指在實(shí)驗(yàn)室中人為創(chuàng)造出來(lái)達(dá)到或接近目前技術(shù)極限的條件。上述這組條件，意味著該裝置能夠提供比宇宙的背景輻射溫度還低幾千倍的極低溫，接近地心壓力的超高壓，比地球磁場(chǎng)高出幾十萬(wàn)倍的強(qiáng)磁場(chǎng)，以及能捕捉到千萬(wàn)億分之一秒畫(huà)面的“高速攝影機(jī)”。

“這是全世界物理學(xué)家夢(mèng)寐以求的研究平臺(tái)。”呂力說(shuō)，“如果把綜合極端條件下的科學(xué)探索過(guò)程比喻成探礦尋寶，有了這個(gè)綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置，我們就可以看得比別人更遠(yuǎn)、挖得比別人更深，收獲也比別人更多。”

除了擔(dān)任中科院物理所懷柔研究部主任，呂力的另一個(gè)身份是綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置首席科學(xué)家。近年來(lái)，利用極端實(shí)驗(yàn)條件取得創(chuàng)新突破，已成為科學(xué)研究發(fā)展的一種重要范式。

工欲善其事，必先利其器。2003年，中科院物理所成立工作小組，開(kāi)始籌劃綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置的建設(shè)。四年后，呂力第一次來(lái)到懷柔，參與裝置的選址工作，“當(dāng)時(shí)，裝置所在的這片區(qū)域還都是農(nóng)田、林地，后來(lái)，懷柔科學(xué)城慢慢建起來(lái)了，雁棲湖已經(jīng)成為‘國(guó)際會(huì)都’，周圍的環(huán)境真是大變樣。”

2017年，綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置正式啟動(dòng)建設(shè)。這是懷柔科學(xué)城內(nèi)第一個(gè)開(kāi)工的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，也是第一個(gè)進(jìn)入科研狀態(tài)的大科學(xué)設(shè)施。它與其他大科學(xué)設(shè)施相比，最大的特點(diǎn)在于綜合化、集群化，每個(gè)極端條件都不是獨(dú)立的，是“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”，幫助科研人員進(jìn)行全面、系統(tǒng)的研究。

建設(shè)大科學(xué)設(shè)施的過(guò)程，也是攻堅(jiān)克難的過(guò)程。呂力提到，有些儀器購(gòu)買困難，研究人員就從零開(kāi)始、自主研發(fā)。2022年12月20日，綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置全面進(jìn)入試運(yùn)行階段，20個(gè)平臺(tái)均面向中外用戶開(kāi)放預(yù)約?？茖W(xué)家們第一次可以在家門口做實(shí)驗(yàn)，自是難掩激動(dòng)。首批通過(guò)性能工藝測(cè)試的5個(gè)實(shí)驗(yàn)站開(kāi)放普通課題預(yù)約申請(qǐng)時(shí)，就收到57份申請(qǐng)，申請(qǐng)者中包括36家國(guó)內(nèi)外科研院所、高等院校和高新企業(yè)的一線科研團(tuán)隊(duì)。

“多年來(lái)，我一步步看著懷柔科學(xué)城建設(shè)得越來(lái)越好，園區(qū)越來(lái)越熱鬧。”呂力期待著，有了大科學(xué)設(shè)施，能幫助科研人員做出更多優(yōu)秀的成果。

懷柔科學(xué)城藍(lán)圖正變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)

2017年5月

國(guó)家發(fā)改委、科技部正式批復(fù)北京懷柔綜合性國(guó)家科學(xué)中心建設(shè)方案，明確以懷柔科學(xué)城為核心承載區(qū)進(jìn)行建設(shè)。同年，懷柔科學(xué)城擴(kuò)展至密云，整個(gè)科學(xué)城面積從41.2平方公里增至100.9平方公里。

2017年9月28日

懷柔科學(xué)城首個(gè)大科學(xué)裝置——綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置啟動(dòng)建設(shè)。

2021年

地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置落成，“把地球裝進(jìn)實(shí)驗(yàn)室”，成為我國(guó)首個(gè)研制成功的地球系統(tǒng)數(shù)值模擬大科學(xué)裝置，也是懷柔科學(xué)城首個(gè)落成啟用的大科學(xué)裝置。

2023年3月14日

高能同步輻射光源直線加速器滿能量出束，成功加速第一束電子束，標(biāo)志著該裝置進(jìn)入科研設(shè)備安裝、調(diào)束并行階段。

多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學(xué)成像設(shè)施和子午工程二期預(yù)計(jì)年內(nèi)投入試運(yùn)行。

城市客廳項(xiàng)目預(yù)計(jì)2023年底具備整體入駐條件，營(yíng)造契合科學(xué)家需求的高品質(zhì)國(guó)際化城市生活氛圍。

目前，懷柔科學(xué)城“十三五”時(shí)期布局的29個(gè)重大科技設(shè)施平臺(tái)項(xiàng)目土建工程已全部完工，進(jìn)入建設(shè)與運(yùn)營(yíng)并重階段。

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