追逐原始創(chuàng)新之“光”

在懷柔雁棲湖畔，一個周長1.36千米的“放大鏡”形建筑占據(jù)了967畝的區(qū)域，約90個足球場大小。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，人類對未知領(lǐng)域的探索離不開大科學(xué)設(shè)施。在懷柔科學(xué)城，一座座“大國重器”正在落成。其中，這個被稱為“探測微觀世界利器”的“放大鏡”，格外引人注目。這將是我國第一臺高能同步輻射光源，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)動的雨傘，傘邊緣切線方向會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)動時，也會在切線方向發(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，世界各國開始了建設(shè)同步輻射裝置來構(gòu)建光源的“競賽”。

北京是我國第一個大科學(xué)設(shè)施的誕生地。

玉泉路旁，北京正負(fù)電子對撞機(jī)“一機(jī)兩用”，進(jìn)行著正負(fù)電子的高能對撞。1988年至今，依托對撞機(jī)和北京同步輻射裝置，我國科研人員已產(chǎn)出一系列世界級科研成果，世界上第一個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，時不我待。這是我國高能物理研究者的信念——要建一臺高能光源，填補(bǔ)空白。

時針轉(zhuǎn)回2008年。這群“追光人”開始對建設(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工，爭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個分系統(tǒng)人員的“指揮棒”。一個個時間節(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”一個接一個。

“其實(shí)，每一個大科學(xué)設(shè)施的建設(shè)，必然會遇到難題，這是避不開的，只能面對它們，并且解決它們。”李京祎說。

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，這個從未出現(xiàn)在建筑規(guī)范中的單位，卻是未來光源實(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個月里無數(shù)次失敗最終換來了答案：他們將光源儲存環(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加速器，電子束要通過它加速到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“升級款”的固態(tài)調(diào)制器。

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

團(tuán)隊(duì)成員從理論模型的建立開始，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，都會影響到產(chǎn)品的性能。我們前后鉆研了3年，迭代了6個版本，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，一項(xiàng)項(xiàng)測試數(shù)據(jù)在屏幕上跳動，均達(dá)到“滿分”標(biāo)準(zhǔn)。這是代級的躍變！

期待“世界最亮”的光

歷時近4年建設(shè)，曾經(jīng)的荒草地上已經(jīng)“長”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‘大國重器’連通了‘生命線’。”李京祎說起，2022年冬天，是光源主體建筑封頂、科研設(shè)備啟動安裝的首個冬天。由于科研設(shè)備的準(zhǔn)直精度普遍在10微米量級，環(huán)境溫度的細(xì)微變化，都會導(dǎo)致設(shè)備準(zhǔn)直精度下降。以儲存環(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。

面對如此嚴(yán)苛的需求，懷柔區(qū)迅速協(xié)調(diào)，及時解決了光源裝置區(qū)的水、電、供暖等問題。“那個冬天，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“開門紅”，每秒都有百億量級的電子從電子槍“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（1微庫＝1000納庫）以上。這也意味著，這座“大國重器”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”——儲存環(huán)的安裝正在進(jìn)行。光源投入運(yùn)行后，儲存環(huán)中電子束在奔跑的過程中，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。

與儲存環(huán)一墻之隔，便是未來供用戶開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)站，大到飛機(jī)發(fā)動機(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！”李京祎說。

【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“中國創(chuàng)造”；我國首個具有自主知識產(chǎn)權(quán)的地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置——“寰”通過國家驗(yàn)收，成為懷柔科學(xué)城第一個正式運(yùn)行的國家重大科技基礎(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。

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應(yīng)體全天監(jiān)測器，是北京懷柔綜合性國家科學(xué)中心空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)室掛牌后發(fā)射的首個科學(xué)衛(wèi)星，得名“懷柔一號”，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)動超高速高焓激波風(fēng)洞，大幅提升我國在空天宇航方面的地位；

……

懷柔科學(xué)城正向著世界級原始創(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、中國科技政策研究中心副主任梁正看來，重大科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施是“大科學(xué)時代”科技發(fā)展的產(chǎn)物，其有助于提升國家創(chuàng)新體系整體效能，提高我國原始創(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)施來吸引和凝聚全球科學(xué)家和人才，是國際上比較通行的做法。”梁正說，北京歷來重視重大科學(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”和“走出去”。懷柔科學(xué)城依托大科學(xué)設(shè)施集群，也提出了針對外籍人才的開放共享戰(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)施吸引和凝聚國際尖端科技人才的同時，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】

中科院物理所懷柔研究部主任呂力：

“這是物理學(xué)家夢寐以求的研究平臺”

小于1毫開爾文的極低溫、超過300吉帕斯卡的超高壓、至少26特斯拉的全超導(dǎo)磁體強(qiáng)磁場以及約100阿秒的超快光場……這是中國科學(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，比地球磁場高出幾十萬倍的強(qiáng)磁場，以及能捕捉到千萬億分之一秒畫面的“高速攝影機(jī)”。

“這是全世界物理學(xué)家夢寐以求的研究平臺。”呂力說，“如果把綜合極端條件下的科學(xué)探索過程比喻成探礦尋寶，有了這個綜合極端條件實(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，呂力的另一個身份是綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置首席科學(xué)家。近年來，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，呂力第一次來到懷柔，參與裝置的選址工作，“當(dāng)時，裝置所在的這片區(qū)域還都是農(nóng)田、林地，后來，懷柔科學(xué)城慢慢建起來了，雁棲湖已經(jīng)成為‘國際會都’，周圍的環(huán)境真是大變樣。”

2017年，綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置正式啟動建設(shè)。這是懷柔科學(xué)城內(nèi)第一個開工的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，也是第一個進(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)施的過程，也是攻堅(jiān)克難的過程。呂力提到，有些儀器購買困難，研究人員就從零開始、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個平臺均面向中外用戶開放預(yù)約。科學(xué)家們第一次可以在家門口做實(shí)驗(yàn)，自是難掩激動。首批通過性能工藝測試的5個實(shí)驗(yàn)站開放普通課題預(yù)約申請時，就收到57份申請，申請者中包括36家國內(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，我一步步看著懷柔科學(xué)城建設(shè)得越來越好，園區(qū)越來越熱鬧。”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

國家發(fā)改委、科技部正式批復(fù)北京懷柔綜合性國家科學(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)城首個大科學(xué)裝置——綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置啟動建設(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”，成為我國首個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，營造契合科學(xué)家需求的高品質(zhì)國際化城市生活氛圍。

目前，懷柔科學(xué)城“十三五”時期布局的29個重大科技設(shè)施平臺項(xiàng)目土建工程已全部完工，進(jìn)入建設(shè)與運(yùn)營并重階段。

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