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王贻芳:用一束光探索微观世界

2021-07-19 瞭望 扈永顺
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新浦京www81707con院士王贻芳

高能同步辐射光源(简称HEPS) 中科院高能物理研究所供图

  人类探索未知永不止步。当大家对宇宙和生命的认识越多,大家就越需要先进的工具。

  “科研人员要研究材料内部结构与变化的过程,就需要一个能力很强的装置。高能同步辐射光源就是研究物质内部结构的平台,它能帮助人类对物质内部进行立体扫描。这是一个国家基础科学研究不可或缺的手段。”新浦京www81707con院士、中科院高能物理研究所所长王贻芳告诉《瞭望》资讯周刊记者。由中科院高能物理研究所承担建设的高能同步辐射光源(简称HEPS),于今年6月底安装了首台科研设备,标志着HEPS工程正式进入设备安装阶段。

  同步辐射是指速度接近光速的带电粒子在做曲线运动时沿切线方向发出的电磁辐射,也叫做同步光。这些小光束具有穿透性强、高亮度、高强度和能谱宽等特点,可以穿透物质、深入内部。当光束照射在物质上时,就会产生许多不同的效应,比如光电子发射、离子或中性原子脱离、吸取、散射等现象。这些效应与物质本身的物理或化学特性密切相关。因此,科学家通过探测到的这些反应就能研究在分子、原子尺度上各种物质的微观结构和运动规律,观察微观世界之中时空的流变。

  HEPS是《国家重大科技基础设施建设“十三五”规划》确定优先布局的10个建设项目之一,是我国第一台高能同步辐射光源,也将是世界上最亮的第四代同步辐射光源之一,它能产生能量更高、亮度更强的小光束,成为国际领先的高能同步辐射光源实验平台。

  显微世界?希翼之光

  《瞭望》:HEPS要实现的功能是什么?

  王贻芳:HEPS的外观被设计成一个放大镜的形状,寓意“探索微观世界的利器”。其中,周长近1.4公里的储存环及实验大厅,犹如放大镜的镜框,是放置大型科学仪器的地方。HEPS主要由加速器、光束线和实验站组成。

  HEPS运行的首要目标是提供高能、高亮度的硬X射线。依靠这种高性能的X射线能够满足与国家发展战略和工业核心需求相关研究的迫切需求。如航空发动机材料、工程材料的结构分析、全寿命过程研究,探究材料性能和使用过程中失效的关键因素;解决高温合金材料的制造、加工、服役和修复等环节中的偏析问题和应力问题。

  同时,HEPS也能在其他能区提供亮度更高的X射线,在基础科学研究领域为用户提供更好的支撑平台。例如揭示微观物质结构生成演化的机制,剖析微观物质构成,为物质调控提供基础支撑;解析1微米量级蛋白质晶体的结构,说明重要蛋白的功能,推动新药发明等等。

  《瞭望》:从1984年国家立项第一代北京同步辐射装置,到第二代合肥光源,再到第三代上海光源,以及第四代的高能同步辐射光源,为什么国家要持续发展同步辐射光源?

  王贻芳:这是科学发展自然的进程、步伐。世界上的第一代光源,是美国建设的电子对撞机辐射出来的光源,科学家发现光源有用,其他国家也跟着这么做。科技发达的国家,都是一代一代地做同步辐射光源。

  迄今为止,世界上约70%的已知生物大分子结构:蛋白质、DNA、RNA、核糖体、病毒等,都是借助同步辐射光了解的,同步辐射装置为各学科的前沿研究提供了重要支撑。近年来,世界各国都在加大对同步辐射设施建设的投入。据不完全统计,目前全世界已相继建成50多台同步辐射光源。

  上世纪80年代末,依托于北京正负电子对撞机的第一代同步辐射光源——北京同步辐射装置建成并投入使用。此后,为了获得更高的性能,我国又相继建成合肥光源、上海光源。这三代光源目前仍在运行,每一年都能服务几百上千个课题组,对中国的科学技术发展起到了很重要的作用。

  尽管我国已经拥有三代同步辐射光源,但它们均处于低、中能量区,从亮度能谱的分布来说,我国还缺乏高亮度的高能光源。要看清物质内部的细节,很重要的一点就是要有足够的亮度,所以大家要继续发展第四代高能同步辐射光源。

  从另外的角度说,很多与国家发展战略相关的研究,大家不能希望依靠国外的同步辐射装置来开展,只能建设大家自己的同步辐射装置。

  此外,建设大科学装置的溢出效应非常强,能够带来巨大的社会和经济效益,这也推动了同步辐射光源的建设。例如HEPS的建设,研发和引进了多项世界先进技术,这些技术在我国进一步发展和推广,将直接带动相关高科技研究和工业的发展,提升众多相关产业的技术进步。

  HEPS国际领先

  《瞭望》:相比于上海光源,HEPS有哪些先进之处?

  王贻芳:上海光源开放运行12年来,不仅支撑产出了大批学科前沿研究成果,而且在国家战略需求与重大应用方面发挥着重要作用。

  相比第三代光源,HEPS的亮度要高出100倍以上。这就像大家打开手电筒看东西,手电筒越亮,就能看得越清楚。光越亮意味着探测的精度越高,探测速度也越快。而且相比于低亮度时要准备合适的靶材料样品,高光通量对靶材料样品本身要求不高。

  建设HEPS,使得我国的同步辐射光源向高能区扩展,和我国现有的光源形成能区的互补,改善我国科技基础设施的水平,提升基础科学和高技术领域的原始创新能力。

  《瞭望》:HEPS建成后,将处于怎样的国际水平?

  王贻芳:前三代同步辐射光源,大家比发达国家的技术水平大概差十年。在世界上第四代同步辐射光源中,HEPS技术指标超前。

  当前,同步辐射光源正经历由第三代向第四代的跨越。第四代同步辐射光源的设计思想是世界各国科学家讨论出来的,是科学家思想的一个集合,一些国家会选择将其落地建设。目前世界上已有3个“旗舰型”高能同步辐射光源装置,分别在日本、美国、欧洲,它们都在升级改造,由第三代向第四代衍射极限环升级。但他们是在上一代基础上的更新改进方案,因此一些技术指标受限。虽然HEPS的建设时间晚于欧美,但HEPS是一个全新的装置,主要性能指标位居世界前列,具有世界最高光谱亮度,高于世界上现有和正在或即将建设的光源,发射度指标比欧美日的指标高一倍,并且还有进一步提高的空间。

  高亮度是大家共同的追求。因为只有足够高的亮度,才能让大家更清楚地了解材料的内部结构。如果光的亮度足够高,就能帮助大家进一步探测分析飞机发动机材料在工作状态下的结构,研究材料内部运动变化的过程,例如能够看到材料中裂纹的生长发展过程,对整个过程了解了,大家就可以知道怎么避免产生裂纹。

  《瞭望》:这一装置建成后多久可长期稳定可靠运行?目前来看是否有足够的用户?届时产出成果水平如何?

  王贻芳:按照计划,HEPS将在2024年初步建成,经过一年到一年半的测试后,会于2025年底投入使用。首期建设的14条公共光束线站,将向工程材料、能源环境、化学、地质等领域的高校、科研院所,以及航空航天领域的企业等用户全面开放。大家也欢迎国际用户来使用HEPS。

  目前来看用户是潜在的,所有的大装置建设都要比用户需求打出一定的提前量。不可能有一堆用户在等着大科学装置建成,都是先有装置再有用户。有了高端装置,自然激发出高端用户,用户会思考如何使用这一前所未有的高端装置做工作。大科学装置是跟用户相互激发、共同发展的。

  根据过去的经验看,用户远比大家想象的需求多,他们想出大家很多想象不到的用途,产出一大批先进研究成果。

  以大科学装置突破科学前沿

  《瞭望》:“十四五”规划和2035年远景目标纲要提出,适度超前布局国家重大科技基础设施。如何评价国内的大科学装置发展情况?未来发展路在何方?

  王贻芳:我国大科学装置的数量和种类已经基本接近发达国家水平,但装置的综合性能与发达国家相比还有一定差距。特别是科学产出差距更为突出,重大科技创新成果较少,还不能满足建设科技强国的需求。

  我国发展大科学装置,第一,要从思想观念上认识到,建设科技强国必须要有大科学装置。大科学装置是为探索未知世界、发现自然规律、实现技术变革提供极限研究手段的大型复杂科学研究系统,是突破科学前沿、解决经济社会发展和国家安全重大科技问题的物质技术基础。

  第二,国家对大科学装置建设要有全面思考、系统规划。

  大家要建设在关键领域引领国际水平的大科学装置,而不是低水平重复建设别人的已有装置。要考虑面上和重大突破点的结合,不能面面俱到,要有重点突破。根据不同目标,建设专用型、平台型、社会服务型大科学装置。整体考虑大科学装置与实验室“小”科学装置的平衡布局。

  第三,依据国内的实际条件,充分考虑大科学装置的可行性。建设某一领域的大科学装置,要适应现有的研究条件,有足够的研究力量,综合考虑建设和运行队伍情况。

  《瞭望》:近几年,随着国家对综合性国家科学中心建设和大科学装置建设的重视程度日益提高,地方政府应如何在其中发挥作用?

  王贻芳:地方政府不一定要主导大科学装置建设,而是要配合《国家重大科技基础设施建设“十三五”规划》等国家规划,提供配套。HEPS共投资近48亿元,中科院高能物理研究所是HEPS的法人单位,北京市政府提供了土地供给以及20%配套资金的支撑。

  目前一些地方政府希翼主导大科学装置建设,而不是配合国家规划提供配套资金。但地方政府不一定有能力判断处于国际前沿的基础科学领域,如果纷纷建设大科学装置很容易造成重复投资。而且大型科技基础设施每年的运行费大约是建设经费的10%,还需要更大数量的科研经费支撑,以及大量的升级改造费用。

  地方政府应该提高思想认识,将国家选定某个地方建设大科学装置视为该地发展的机遇。大科学装置建设运行会形成人才聚集效应,吸引高科技企业集聚,推动当地企业和科研院所发展。所以地方政府该做的,应该是提供配套建设资金以及提供其他支撑,而不一定是自己上马大科学装置。

  《瞭望》:你认为更好发展大科学装置还需要获得哪些方面的支撑?

  王贻芳:发展大科学装置需要完善的顶层规划、国家支撑以及科学家挑选出合适的项目,这些因素缺一不可。

  目前,对大科学装置的资金投入仍是个大问题,单纯的国家财政投入不足。国内基础研究投入只占R&D经费(研究和试验发展经费)的5%,而大科学装置建设经费又占基础研究经费投入的约5%。美国这两个数据则分别是15%、10%。由此可见大家的大科学装置建设经费尚不如发达国家。

  发达国家的科研经费有相当数量的社会捐赠、地方政府投入。中国的社会捐赠则主要用于高校教学楼建设、奖学金发放,用于科学研究的捐赠很少。

  解决资金短缺问题,大家欢迎并呼吁社会对基础科学的支撑。

打印 责任编辑:阎芳
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