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张江科学地标,从“一个”到“一群”
2017年05月10日 10:52   来源:解放日报  

  记者日前获悉,位于上海同步辐射光源(简称上海光源)园区的X射线自由电子激光试验装置正在抓紧调试,这个长近300米、宽约30米的装置将于今年上半年饱和出光。

  就在几个月前,上海光源线站工程(上海光源二期)、上海超强超短激光实验装置、我国首台软X射线自由电子激光用户装置、活细胞结构和功能成像平台启动建设。这些项目在2019年建成后,加上已有的上海光源和国家蛋白质中心上海设施,将组成全球光子科学研究综合能力最强的大科学设施集聚地之一,成为张江综合性国家科学中心的科学地标。

  基础科学创新和前沿问题探索,离不开核心技术的突破。这一世界级光子大科学装置群,是上海建设有国际影响力的科创中心的重要内涵,对于开拓研究领域、催生源头创新、推动前沿突破起着至关重要的作用。

  光子大科学装置群·有何用处

  人类的发展从来就离不开对“光”的利用和开发。我们平常说到“光”时,多指可见光。其实,“光”是一个很大的家族,依波长的不同,可分为无线电波、微波、红外、可见光、紫外、真空紫外、软X  射线、硬X射线和伽马(γ)射线等。探测宇宙,可以选用无线电波;跟踪飞机,可以选用微波(雷达);要“看清”病毒、蛋白质分子甚至金属原子等微观物体,必须选用与这些微观物体大小相近或更短波长的光束,来探究未知的微观世界。

  上海光源的同步辐射光,被科学家称之为继电、X光和激光后,为人类文明带来革命性推动的新光源。其波长范围宽,从远红外到硬X射线连续可调,可根据不同需要选取相应波长的光。

  为什么张江国家科学中心的大科学装置群会集中在光子领域?因为科学家们在这里利用X射线波段的光子,不仅可以探测研究物质的各种属性,更为重要的是可以利用各种能量的光子实现功能动态分子水平上的分析和控制。国外不乏这样的例子,全球瞩目的引力波,正是来自LIGO(激光干涉引力波观测站),它是借助激光干涉仪聆听来自宇宙深处引力波的大型研究仪器; 美国能源部依托阿贡先进光源等三大同步辐射装置,解决了美国能源、材料和生物等领域许多前沿科学问题和关键技术。从国际上的先进经验来看,包括欧洲核子中心(CERN)在内的大科学装置都有两种以上的光子设施,从而可以满足多领域不同的研究需求,最关键的是能够产生新的研究手段。

  不难想象,上海建成世界级光子大科学装置集群,不仅可以聚焦世界科技前沿探索科学未知,还可以聚焦国家战略和重大需求,以蓬勃的科学原创力更好地推动产业和经济发展。

  光子大科学装置群·如何建起

  这并不是一个偶然。1999年7月,上海光源确定落址张江高科技园区。一个月后,上海市委、市政府颁布了“聚焦张江”的战略决策,上海要集中力量把张江高科技园区建设成技术创新的示范基地。

  由中国科学院和上海市政府共同建设的上海光源于2004年12月正式开工,经过大规模技术攻关与系统集成,在52个月内完成了设备研制、工程建设和调试调束,于2009年5月正式对国内用户开放试运行。大科学装置的建设过程不同于房屋建造,其建设本身就是一个科研的过程。上海光源汇集并发展了高能加速器和高热负载精密光学工程等新方法、新技术和新工艺,成功实现了世界第三代同步辐射光源众多先进技术的高度集成。

  “以世界同类装置最少的投资和最快的建设速度,成为国际上性能指标领先的第三代同步辐射光源之一,是我国大科学装置建设的一个成功范例。”这是2010年上海光源顺利通过国家验收时得到的一致评价。

  上海光源亦不负众望,它犹如一台多用户的超级显微镜,成为照亮微观世界的“神奇之光”。“不管是从用户数量还是装置性能来说,上海光源不仅领跑全国,同时也处于国际上同类装置的第一方阵。”中科院上海应用物理研究所所长赵振堂说。截至2016年底,上海光源已执行通过专家评审的课题申请8638个,累计为用户提供实验机时超过22.9万小时,用户遍布全国422家单位,涵盖结构生物学、凝聚态物理、化学、化工、材料科学、能源、环境、医学和药学等十几个学科领域。

  光子大科学装置群·成果如何

  “作为张江综合性国家科学中心的重要组成,光子大科学装置集群的建设可谓水到渠成。”市科委基地处有关负责人说,上海光源建成后出了很多原创科技成果。如何更好地集聚张江科技资源,举全市之力建一批光子大科学装置,成为了上海高瞻远瞩的一次部署。

  上海光源现有13条光束线站投入运行、2条即将试运行,上海光源二期的目标是在原有装置基础上新建16条光束线站,全面提升上海光源的实验研究能力。预计到2020年,上海光源将有近40条线站建成并向用户开放,届时每年将有近万名科研工作者利用该装置开展前沿和应用研究。

  超强超短激光是已知的最高光强光源,为人类提供了前所未有的极端物理条件与全新实验手段,自然界中只有在恒星内部或黑洞边缘才能找到的极端条件已有可能在实验室内创造。如果说激光放大技术是一座高峰,把脉冲时间压缩到趋于无穷小则是一座更高的险峰。2015年,中科院上海光机所—上海科技大学超强激光光源联合实验室在张江正式组建。就在去年8月,科研团队解决了激光放大和脉冲压缩的关键技术问题,实现了5拍瓦激光脉冲输出,在激烈的国际竞争中继续保持“领跑”优势,并有望今年年底实现10拍瓦激光输出。据了解,这一项目预计在2018年底将首批建成极端条件材料科学研究平台、超快亚原子物理研究平台、超快化学与大分子动力学研究平台等3个用户实验终端,服务于物质科学与生命科学的研究。

  去年11月,软X射线自由电子激光用户装置、活细胞结构和功能成像平台正式开工建设。软X射线有一个重要的波段被称为“水窗”,是目前唯一可以对生物活体细胞进行无损伤三维全息成像和显微成像的“第四代光源”,由于成像时间精度达到飞秒级,它拍摄到的不是生物分子“照片”,而是“视频”。

  过去,许多科学家耗费数年才解析一个蛋白质分子结构,如今为蛋白质分子拍一张照只需0.1秒,看清一个蛋白质结构,不再以年为计时单位,最短只需2分30秒。作为当今全球生命科学领域首家综合性大科学装置,国家蛋白质科学中心(上海)设施2014年5月开放试运行。截至2017年2月,上海设施已吸引中科院兄弟院所、国内高等院校、国际医药企业等近200家单位,以及来自美国、法国、西班牙等地的13000多人次优秀科学家,进行了2000多项重大前沿创新课题的研究。(解放日报记者 黄海华)

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