神奇之光

2009年4月,我国迄今为止最大最先进的科学装置,位居世界先进行列的第三代中等能量的同步辐射光源——“上海光源”终于正式建成运行了。什么是同步辐射光源?为什么要耗资12亿元历经52个月建设一个如此巨大的高科技工程?

光的家族

我们的眼睛之所以能看见物体,是由于物体发出的光线或物体反射的光线进入了我们的眼睛。我们能看见点燃的蜡烛和初升的太阳,是因为它们能发光;我们能看见绿水青山和十五的月亮,是因为它们能反射太阳光。

光是一种电磁波。光的颜色不同,是因为它们的波长不同。光的波长通常用纳米来表示,一纳米为十亿分之一米。在我们常见的红、橙、黄、绿、青、靛、紫七种颜色的光中,红光的波长最长,有700纳米,紫光的波长最短,约400纳米。从红光到紫光,这些人眼能看见的光是“可见光”,超出这个波长范围的光,如, 波长比红光更长的红外线,比紫光更短的紫外线,人的眼睛就看不见了。

如果我们把电磁波家族的成员按波长从长到短、由左向右排个队,那么位于最左端即波长最长的是无线电波,接着是微波、红外线、可见光、紫外线、软X射线、硬X射线,而位于最右端即波长最短的是伽玛射线。尽管除了可见光其他的电磁波我们都看不见,但它们却是实实在在存在的。天文学家借助无线电波来探索遥远的未知星球;士兵借助雷达的微波能侦察到几百千米外的飞机;而红外线理疗对人体组织产生的热作用和促进再生作用已为临床应用所肯定。众所周知,适量的紫外线对人体有许多好处,但过度接触紫外线会烧伤皮肤,引发白内障;医生通过X射线透视病人的骨骼和内脏,利用伽玛射线为病人做手术。

同步辐射光

科学家告诉我们,利用光能分辨的最小物体,和光的波长相近。例如,利用无线电波能分辨的最小物体约一个棒球的大小,而利用可见光则能看清细胞的结构。1895年,德国物理学家伦琴发现了X射线,它能穿透可见光无法穿越的物质,让人们看清了分子的构成。然而,构成分子的原子乃至构成原子的更小粒子,仍然处在模糊的黑暗中。

1947年,美国科学家在用同步高能加速器做实验时发现:在真空环境中,以接近光速运动的电子在改变运动方向时,会沿运动的切线方向释放出明亮的蓝白色光。由于这种电磁波来源于同步加速器,因而被称为“同步辐射光”。令世人瞩目的“上海光源”是目前位居世界先进行列的第三代同步辐射装置。它产生的同步辐射光又亮又直,强度比X光高上万倍、亮度比X光高上亿倍,且非常稳定。其波长范围从红外光到硬X射线都有,只要进行适当过滤,就能得到所需波长的非常纯净的光。

好奇的你一定会问,利用这些光线到底能做些什么?能看到些什么?在“上海光源”的试运行阶段,生物学家利用它产生的同步辐射光,看到了7亿年前胚胎化石的内部结构,拍下了蝗虫活体的呼吸透视图,看到了肿瘤组织的血管分布,甚至看到了婴儿胎发粗如树皮的表面。如果说X光是一支蜡烛,让人类看到了微观世界的模糊影像,那么,同步辐射光就是太阳,让整个微观世界终于显露了它复杂的构造。

电子从这里出发

同步辐射光好神奇,但要获得它可不容易。同步辐射装置由直线加速器、增强器、储存环、光束线和实验站组成。其中,直线加速器是电子出发的地方。电子枪能够根据需求,不间断地打出电子束。电子先在直线加速器中作30米的“加速跑”,使其能量增大到150兆电子伏特。然后,进入增强器,在这个周长180米的环形“第二跑道”里,电子需要在0.25秒内迅速跑完40万圈,使能量骤增20多倍。再被引出增强器,进入储存环。当电子在这个周长432米的大圆环里,以接近光速运行时,便可以24小时不间断地,通过60多条光束线,为实验站提供稳定的同步辐射光。

电子从出发的那一刻起,直到在储存环中稳定发光,然后通过光束线引出,这一系列过程都必须在非常稳定的密闭的超高真空管道中进行。在超高真空管道外,排列着大小各异、队形整齐的电磁铁,由它们产生的磁场来给电子约束尺寸和牵引方向;同时用高频加速腔给电子加速和补充能量。此外,还有许多探测仪器和冷却温控等设备。所有这些设备的安装摆放,无论朝向、上下左右的位置,其精度都必须达到十万分之一米。

从储存环的切线方向伸出来的一条条光束线,可以根据不同的需求,把包含了各种波长的同步辐射光过滤成所需波长的光,例如软X射线或硬X射线等。这个工作主要就由单色器来完成。在实验站工作的科学家,并不直接观看同步辐射光,因为它们绝大部分不属于可见光范围,而且能量极高,不能直接接触眼睛。他们利用光束线引出的同步辐射光进行实验,他们观看的是通过摄像头传输出来的实验过程,例如,蛋白质如何折叠、肌肉纤维如何收缩、晶体如何生长等等。他们分析研究的是通过各种仪器和软件搜集的数据。

好大一只“鹦鹉螺”

位于浦东张江高科技园区的“上海光源”,是一个银白色铝板与蓝色保温玻璃相间的巨大的“鹦鹉螺”式的建筑。这是一座非常特殊的建筑,由于同步辐射光是由在真空中高速运动的电子在改变运动方向时产生的,因此整个建筑的振动必须极其微小。当振动频率在1～100赫兹时,引起的振幅不可超过0.3微米,否则,运动中的电子就会撞上真空管壁“香消玉殒”,聚焦后不到1毫米的同步辐射光斑就会无法对准样品。

其次,地基微沉降必须小于1毫米,而且整个建筑的沉降必须非常均匀。实验大厅每年每10米距离的沉降差不得超过0.35毫米,储存环更要低于0.25毫米,而且建成3年后,这个数值还要小于0.1毫米。要知道,一般建筑沉降都是以厘米来计的。要在上海这样的冲积平原的软土上,建造要求如此苛刻的巨大“鹦鹉螺”,其难度可想而知。

此外,整个实验大厅的温度变化不得大于2℃。为此,对“鹦鹉螺”表面采用了保温、防水一体化处理,所用的蓝色玻璃是经特殊的“透光不透热”工艺处理的。除了恒温,还必须防止辐射泄漏。为此,直线加速器、增强器、储存环隧道的墙体都特别厚,而且墙面不得有大于0.15毫米的贯穿裂缝。光束线末端的实验站,用厚实的铅板搭建,并且拼接得天衣无缝。除此之外,还配上了多重安全措施,确保万一发生意外,也不会有辐射泄漏。

我们有理由期待

如果你问我,耗资12亿元,历经52个月,建设一个如此巨大的高科技工程,难道就为了得到几束同步辐射光?我可以告诉你,获得1997年、2003年、2006年诺贝尔化学奖的科研成果,都诞生于世界上已投入使用的同步辐射装置的实验站。由此可见它对科学技术的研究和发展有多重要。

第三代同步辐射光源引出的硬X射线特别亮,聚成的光斑特别小,可以不到0.2微米,能清楚地描述原子的精确构造,看清几百纳米的细微结构。目前,世界上80%的新蛋白质的结构,都是依靠同步辐射光源测定的。由于第三代同步辐射光的亮度特别高,使得这一类测定的精度显著提高,时间大大缩短,不仅极大可能地保持了样品的活性,而且还使观察和记录生命的动态变化成为可能。以同步辐射光源替代普通X光,不仅能缩短扫描时间,而且还能拍出非常精细的CT图像。利用同步辐射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。

作为世界上性能最好的第三代中等能量的同步辐射光源之一,“上海光源”是我国生命科学、材料科学、环境科学、化工、医药、地质、微电子等几乎所有学科的科学家梦寐以求的大科学装置,它能同时容纳成百上千名来自全国乃至全世界的科学家和工程师进行基础研究和技术开发。“上海光源”的设计使用寿命为30年。我们有理由期待在这30年间,在这个发出神奇之光的“鹦鹉螺”中,我国的科学研究将取得惊人的成就。