“鹦鹉螺”未来之光

陈　冰

“鹦鹉螺”的能量仅次于世界上仅有的3台高能光源，是目前世界上正在建造或设计中的性能最好的中能光源之一。

鹦鹉螺，大自然中的数学家和美学家。它的外壳有着黄金分割的完美比例，和一条用数学公式可以算出的曲线构成。它的生长线还与地球和月亮自转有关，所以鹦鹉螺一直非常神秘，以至于凡尔纳在小说《海底两万里》中，把潜艇的名字命名为“鹦鹉螺”号。

眼下，一只巨大而神奇的“鹦鹉螺”已悄然矗立在上海张江高科技园区西南部，2009年5月它将正式发光。这座在阳光下熠熠生辉的环形建筑就是我国迄今为止最大的大科学装置和大科学平台——上海光源。

SSRF

上海光源，实际上是上海同步辐射光源的简称，英文全名为Shanghai Synchrotron Radiation Facility，缩写为SSRF。作为国家级大科学装置和多学科的实验平台，上海光源由全能量注入器（包括150MeV电子直线加速器、周长180米的全能量增强器和注入／引出系统）、电子储存环（周长432米，能量3.5GeV）、光束线和实验站组成。

在这个硕大的圆形装置中，全能量注入器提供电子束并使其加速到所需能量，无数电子束以接近光的速度在闭合环形的真空电子储存环中运行，并在拐弯时放出同步辐射光。电子储存环是同步辐射光源的主体与核心，它的性能直接决定了同步辐射光源性能的优劣。为了保证向用户提供在空间位置上高度稳定的同步辐射光，电子束轨道的稳定需要被控制在微米量级。

光束线沿着电子储存环的外侧分布，它起着用户实验站与电子储存环之间的桥梁作用。也就是说这道“光闸”将从电子储存环引出的同步辐射光束“条分缕析”出从远红外到硬X射线等不同波长的同步射光，并按用户要求进行准直、聚焦等再加工，然后输送到用户实验站。

在实验站，同步辐射光被“照射”到各种各样的实验样品上，同时科学仪器记录下实验样品的各种反应信息或变化，经处理后变成一系列反映自然奥秘的曲线或图像。科学家和工程师们不仅可以利用强大光速快速测定蛋白质三维晶体结构，还能完成对超大规模集成电路的“精雕细刻”。

从2004年12月25日正式破土动工，到2009年4月完成调试后向用户开放，这台投资超过12亿人民币的中能第三代同步辐射光源，能量仅次于世界上仅有的3台高能光源（日本SPring-8、美国APS、欧洲ESRF），是目前世界上正在建造或设计中的性能最好的中能光源之一，现阶段与之可比的只有英国的DIAMOND光源、法国的SOLEIL光源和西班牙的ALBA光源。

神奇的光

同步辐射光是真空中以接近光速运动的电子束在运动方向改变时，沿切线方向放出的光。同步辐射光具有一系列独特而优异的性能——它波长范围宽，从远红外到硬X射线连续可调；强度和亮度高，是X光机的上万到上亿倍；高准直性，几乎是平行光；优良的脉冲时间结构，脉冲宽度10－11秒、脉冲间隔达10－9秒；高偏振、准相干性、高纯净；可准确计算同步辐射的光子通量、角分布和能谱等；可以提供十几到几十小时的稳定光束。因此同步辐射光源被科学家称之为继电光源、X光源和激光光源之后，第四次为人类的文明带来革命性的新光源。

第一代同步辐射光源“寄生”于高能物理实验电子储存环。随着同步辐射光巨大利用前景和需求的显现，专门用来产生同步辐射光的第二代同步辐射光源应运而生。当探索微观世界的进程越来越深入，迫切需要亮度更高、性能更好的光源，科学家们使用特殊设计的插入件，使电子束运动方向发生周期性变化，从而叠加得到亮度增加上万倍的同步辐射光，这就是目前国际上最先进的第三代同步辐射光源。

第一代、第二代、第三代同步辐射光源之间的最主要的区别，是在于作为发光光源的电子束斑尺寸或电子发射度的迥异。第二代的同步辐射光源，其电子束发射度一般为40－150纳米弧度，而第三代的上海光源，其电子束发射度约4纳米弧度，二者相差10－40倍，结果得到的光亮度差100－1600倍，达两三个量级！另一显著差别是可使用的插入件的数量悬殊，第二代光源仅能安装几个插入件，而第三代光源可有十几个到几十个插入件。由于插入件产生的光较之弯转磁铁产生的光具有更高的亮度和更好的性能，可见插入件数量的多寡可直观地表征光源的性能的优劣。

上海光源具有建设60多条光束线、上百个实验站的能力，向用户供光时间将达到每年5000小时以上。作为先进的中能第三代同步辐射光源，上海光源本身具有很高的现代高科技的融合度和集成度，因此它将成为我国显示综合科技实力的标志性重大科学装置，并为提升国家知识创新能力和综合科技实力做出不可替代的重要贡献。

科研联合国

利用同步辐射实验技术开展实验研究所涉及的学科之众多，应用的领域之广泛，是其他大科学装置无法比拟的。

生命科学和医药学与人类健康生活息息相关，也是同步辐射光得到广泛应用的重要领域。要从根本上掌握生命现象基本规律，必须了解基因载体——蛋白质分子的三维结构，破解其结构与功能的关系。测定蛋白质分子三维结构的最有效的手段是X射线蛋白质晶体衍射。由于蛋白质晶体体积小（几十个微米），且分子數目少，要求所用的X射线光具有高亮度。如用X光机束测一套蛋白质晶体衍射数据的话，需要几十个小时；用二代光源，需要几十分钟；用第三代光源则只要几秒钟。另外，同步光源还具有短脉冲（小于0.0000000001秒）时间结构，为实时观测生物分子结构动态变化过程提供了可能性，将把生命科学研究带入一个崭新的时代。而以蛋白质结构和功能研究为主要目标的结构基因组学研究，其中80%以上的工作需要在第三代同步辐射光源上进行。

英国科学家J.Walker、美国科学家R.Mackinnon和R.Kornberg借助同步辐射研究生物分子的结构与功能，取得了突破性的成就，先后荣获1997年度、2003年度和2006年度诺贝尔化学奖。

研究病毒以及病毒与人体内发生作用的生物分子的结构，对于弄清病毒的致病机理与过程至关重要，利用这些结构信息有针对性地进行药物设计、合成与筛选，可以大大加快新药物研制的进程。利用这种方法，国外已成功研制出用于治疗艾滋病的药物，对于降低艾滋病的死亡率起到了良好的作用。在2003年我国出现SARS疫情后不久，我国科学家就利用同步辐射光成功测定了SARS病毒主蛋白酶的结构，为研制抵御SARS病毒的药物提供了重要信息。

在医学诊断方面，同步辐射光也展示出了非常重要的应用前景。利用同步辐射光的双色减影心血管造影技术，能为心血管病的早期诊断提供安全、快速、高清晰的诊断依据。以同步辐射光源替代普通X光，能大大提高CT的空间分辨率，缩短扫描时间，提高图像质量。最近，人们又利用第三代同步辐射X光源射线横向相干性好的特性，发展了X射线相位反衬成像技术，能够清晰地拍摄出吸收反衬很弱的软组织如血管、神经等的照片，人们将能看到边缘清晰的X光片，并有望发展出不需要造影剂的“心血管造影术”。

环境污染、生态失衡、资源短缺、地球变暖和自然灾害等，都对人类的生存构成了直接威胁，地球和环境科学面临的许多挑战正成为世界性的课题。分子环境科学以同步辐射X射线谱学技术作为主要分析手段，能在分子水平上描述环境污染物的形态，研究污染物的迁移和转化的复杂化学过程，从而评估污染风险和确定污染治理方案。而基于分子环境科学所建立起来的受环境污染植物的修复技术，以其自然、生态、绿色的特点而越来越受到重视与欢迎，可望产生重大的社会效益和经济效益。在地球科学研究方面，利用高亮度同步辐射X射线作为微探针，将能够深入地了解地壳深处和地幔中矿物的演变和转化，对于矿床地质、矿物、岩石、探矿以及地球化学研究起着重要的作用。

在高分子材料改性和开发研究方面，同步辐射光所起的作用受到越来越多的关注。利用同步辐射光源所产生的高亮度同步辐射光束，可以揭示材料中原子的精确构造和得到有价值的电磁结构参数等信息，它们既是理解材料性能的“钥匙”，也隐含着发明新颖材料的理论来源。所以材料科学家和他们所服务的企业将成为第三代同步辐射光源的大用户。

移动通讯和便携式电脑市场的迅猛发展导致对质轻、价低、续航时间长的可充电电池的需求激增，各国的制造商正在为掌握新的电化学反应以开发高性能的电池而陈兵鏖战，而同步辐射光正是他们手中的新式武器。

在石化及化学工业中，催化剂起着核心作用，对产出有重要影响。利用同步辐射光可以研究催化机理和催化剂的特性，这有助于研究发明新型催化剂，其结果直接影响到石油化工的效率和产出。放眼世界，各大石油公司均已在同步辐射光源上建有专用的光束线站，假如没有高性能的第三代同步辐射光源先进技术的支持，我国企业将面临十分被动的局面，因为一种催化剂的成败，会导致进口货和国产品每年的销售差价超过10亿元人民币之多。

微电子机械系统（MEMS）是一种高智能度、高集成度的系统。科学家预言，20年后MEMS产出的社会和经济效益将相当于今天微电子技术所产生的。第三代同步辐射光源的X射线深度刻蚀光刻技术（LIGA技术），可以制造肉眼难以看清的微型马达、微型齿轮、微型传感器、微型喷嘴、微型泵阀、微型电子开关、微型医用器件、微型光纤耦合接插件和微型微电子器件接口接插件等许多三维微型装置，并可进一步发展为高度智能化、集成化的微型电子－机械系统（MEMS），如微型仪器、微型机器人，它们在航天、医学、国防、自动化等许多领域有广阔的可开发市场。

在许多其他产业研发与检测方面，如超大规模集成电路中硅晶片中的痕量杂质探测分析、飞机发动机和航天器的疲劳测试、纸浆无氯漂白工艺改进、化妆品效果分析乃至新口味凝胶食品的开发等，同步辐射光都将大显其非凡身手。

上海光源首批建成的光束线和实验站已位居国际先进水平，上百名来自不同学科和高技术领域的科学家、工程师可以同时开展科学实验和技术研发。仅仅试想一下，就可以感受到那热火朝天的科研氛围。不同学科间的学术交流和脑力激荡，必将萌发出更多新思想、创造出更多新方法、开辟出更多新学科。

来自鹦鹉螺的未来之光已经在晨曦中显露，鹦鹉螺的破茧而出指日可待。（图片提供：中国科学院上海应用物理研究所）

上海光源工程大事记

1993年12月，丁大钊、方守贤、冼鼎昌三位中科院院士建议“在我国建设一台第三代同步辐射光源”。1995年2月，当谢希德、杨福家等政协委员在上海市政协八届三次会议上提出“关于上海建造第三代同步辐射光源”提案时，世界上已有50多台同步辐射光源，在国内，北京与合肥已分别有第一代与第二代同步光源落户，但上海却尚无“光源”一说。

这一提案在上海市政协八届三次会议上一经提交，迅速得到了市委、市政府的高度重视。1995年3月中国科学院和上海市政府决定共同向国家建议建设第三代同步辐射光源；经过研究、论证，该项目于当年列入上海科技“九五计划”，为上海光源的引驻铺平了道路。1999年7月，“上海光源”定址上海張江高科技园区，2004年12月25日，正式破土动工。