【聚焦·懷柔科學城】全球“最亮”光源探測微觀世界！雁棲湖畔正建超級“放大鏡”

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1895年11月的一個傍晚，德國物理學家、維爾茨堡大學校長倫琴躲進一個完全漆黑的房間裡，開展一項陰極射線研究。倫琴明白，陰極射線只能在空氣中傳遞幾釐米，因此他只是用黑色硬紙給放電管做了一個封套。

實驗開始不久，一種前所未有的現象出現了：一米開外的工作臺，一塊熒光屏發出了亮光，把工作臺移至更遠，亮光依然存在。

“這肯定不是陰極射線，那是什麼？光源在哪？”反覆驗證後，倫琴將這種神秘未知的光線稱為X射線。進一步的研究發現，X射線可以輕易穿透上千頁書，數釐米厚的木板、鋁板，甚至還能穿透肌肉照出手骨輪廓。從此，一種新的檢測方式誕生了。X射線在醫學診斷、工業探傷等領域廣泛應用。

▲德國物理學家倫琴及第一張X光片

130年後的2025年，在雁棲湖畔的北京懷柔科學城，一隻周長1.36千米的超級“放大鏡”將被安放到位。

2021年6月28日，首套科研裝置——電子槍裝進了“放大鏡”的“手柄”位置。4年後，電子槍打出的高能電子束，將在“放大鏡”的圓環隧道里以無限接近光速奔跑，在2400多塊磁鐵的作用下，產生亮度遠遠超過普通燈泡萬億倍的X射線，以全球“最亮”的光源探究奈米級的物質結構奧秘。

▲ 正在建設中的高能同步輻射光源裝置

為了這一天儘快到來，中國科學院高能物理研究所的一群“追光人”，已經奮鬥了10多年。

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上世紀70年代，原子物理、高能物理研究高速發展，國外研究成果頻出。但在國內，囿於經濟、科研水平等因素，高能物理發展進展緩慢。對此，一批老科學家憂心忡忡。

1972年8月，62歲的高能物理學家張文裕聯合朱洪元、謝家麟等科學家給周恩來總理寫了一封信，信中呼籲我國急需發展高能物理研究，必須建造高能加速器，這關係到國家核心科技，刻不容緩。

▲ 周總理親筆給張文裕先生、朱光亞先生的回信

這份建議得到了周總理的重視，他在回信中明確表示“這件事不能再延遲了”。次年，中國科學院高能物理研究所成立，張文裕成為首任所長。

這一年，在北京和平門外，13歲的潘衛民升入了中學。出生在一個普通幹部家庭的他從小喜歡各種科普書籍，尤其是對原子物理、光學物理情有獨鍾，“很小的時候我就知道了X射線可以用來看病。”他說，有一次自己胳膊受傷，腫得如碗口粗，醫生用X光拍片子檢查有沒有傷到骨頭。拿到片子時，大人們還揹著他看，怕白白的骨密度影像嚇到孩子，潘衛民卻大膽地拿過片子，有模有樣研究起了自己的傷情，“沒事，養養就好了。”其實，片子清晰地顯示是比較嚴重的骨裂，他的若無其事讓大人們豎起了大拇指。

從1973年到1981年，國內的高能物理學家們一直在積極論證，中國該採用哪條技術路徑建設自己的高能加速器。1981年5月，高能所在徵求國內外專家意見的基礎上提出了建造2×22億電子伏正負電子對撞機的方案，在由國家科委和中國科學院召開的專家論證會上獲得原則透過。1984年，北京正負電子對撞機（BEPC）工程正式破土動工。

年逾70的張文裕戴上助聽器，拄著柺杖參加工程論證會，坐著輪椅到加速器儲存環隧道瞭解工程的實施情況……每每聽到工程的進展，他總是連連點頭，眼中閃著激動的淚花。

▲ 在北京正負電子對撞機工程的開工典禮上，鄧小平與張文裕談話

1988年10月16日，京西玉泉路，北京正負電子對撞機首次實現正負電子對撞。《人民日報》稱“這是我國繼原子彈、氫彈爆炸成功，人造衛星上天之後，在高科技領域又一重大突破性成就，揭開了我國高能物理研究的新篇章”。

老科學家們的呼聲終於成為現實。

高能所西南,中國原子能研究院，經過8年加速器物理與技術專業學習的潘衛民聽到這一喜訊後格外激動，他深知這個加速器專案對於中國高能物理研究的重大意義。加速器附近是同步輻射裝置，那就是一套產生X射線的大光源。他感受到一項宏偉的事業正朝自己招手。

而在千里之外的羊城廣州，中山大學物理系本科生董宇輝也找到了自己的學術目標——北上進京，追隨我國著名理論物理學家、同步輻射應用專家冼鼎昌。

兩人的“追光”之旅悄然啟程。

▲ 北京正負電子對撞機鳥瞰圖

北京正負電子對撞機形似一隻羽毛球拍，它由北向南臥在地下，由一臺長202米的直線加速器、一組共200米長的束流輸運線、一臺周長240米的儲存環加速器、一座高6米重700噸的大型探測器“北京譜儀”和14個同步輻射實驗站等組成。

除了2004年至2008年進行的重大改造工程以及每年大約2個月的檢修時間，正負電子幾乎一刻不停地在此對撞，產生各種粒子事例。科學家分析這些事例，尋求科學發現。

董宇輝清楚地記得1990年第一次走進這裡時的那份震撼，“如此大的科學裝置，感覺只要它開動起來，重磅科研成果便唾手可得。”在這裡，他孜孜不倦地學習、科研，從碩士、博士一直到博士後。

1997年，董宇輝前往義大利特倫託大學做訪問研究。這所大學位於義大利北部，緊鄰阿爾卑斯山，與奧地利接壤，環境優美。董宇輝平日裡做實驗、寫文章，週末天氣好的時候就和妻子出去旅行，日子過得恬靜舒適。科研之餘，他時常想起國內的北京正負電子對撞機，“經常去資料庫檢索看看，它又取得了什麼重量級成果。如果有，比自己發論文還高興。”他清楚，外面的風景再好，終究不是自己的家，自己的心永遠屬於這片熱土。

很快，回國的機會來了。2000年，老師冼鼎昌的一個越洋電話打到了董宇輝的實驗室，“你回來吧，北京正負電子對撞機改造工程需要建一個生物大分子晶體學實驗站，希望你能助一臂之力。”老師說得很客氣，聲音也不大，但董宇輝如同聽到了出征的號令，“走，咱回家！”他和妻子以最快速度打包完行李，告別同事，登上飛往北京的航班。

30歲的董宇輝成為我國第一個同步輻射裝置生物大分子晶體學實驗站設計建設的負責人，而這個實驗站也成為他人生中主持的第一個大專案。

實驗站建設開始後，董宇輝和同事沒日沒夜地在一線做除錯。這個實驗站要充分利用對撞機產生的X射線解析生物結構，要為生物學家服務，而董宇輝是材料物理學出身，要建好實驗站，他必須知道生物學家在想什麼、需要什麼，於是，不去實驗站一線做除錯的時候，董宇輝就伏案自學生物化學、分子生物學、細胞生物學、遺傳學等方面的知識。

2002年，生物大分子晶體學實驗站試執行成功。利用這一平臺，我國第一次用自己的同步輻射專用裝置採集到蛋白質晶體完整、成套的衍射資料。

2003年，實驗站正式向用戶開放。當年12月，清華大學饒子和教授團隊利用這一平臺，解析出了世界上第一個SARS冠狀病毒蛋白質的晶體結構，成果發表在美國科學院院報上，這為人類破解冠狀病毒開闢了一條道路；第二年，中科院生物物理所常文瑞院士利用這一平臺，測定了菠菜的光合膜蛋白晶體結構，研究成果以封面形式發表於《自然》雜誌……

實驗站成果頻出，北京正負電子對撞機也在不斷升級。潘衛民從原子能研究院來到高能所，帶領團隊為對撞機升級改造工程研發了核心裝置國產超導腔，使我國成為世界成功研製此項裝置的國家之一。

▲ 正在建設的高能同步輻射光源

生物大分子晶體學實驗站取得的一系列重大成果，沒有讓董宇輝自豪太久，他的心裡始終隱藏著一絲不安。

在國外工作時，董宇輝曾前往英國做過同步輻射實驗。他深知先進的同步輻射裝置對科研的巨大推動力。他介紹，產生X射線的常見方式有兩種：一種是用高能電子轟擊金屬，產生X射線，工廠裝置探傷、醫院診斷病情用的X光都是用的這一原理；另一種就是同步輻射裝置，電子在同步加速器中以接近光速飛行，在磁場作用下發生曲線運動，電子會沿著彎轉軌道切線方向發射連續的電磁輻射。

“就如同下雨時，我們快速轉動雨傘，傘邊緣的切線方向會飛出一簇簇水珠。”董宇輝說，與常規X射線相比，同步輻射光源產生的同步輻射光頻譜更寬，覆蓋紅外光、可見光、紫外光和X射線波段；另外它的亮度也更高，高出常規X光機產生的X光4至14個量級，可用於高分辨的實驗。

當年建成的正負電子對撞機和同步輻射裝置實現了從無到有的突破，但無論是亮度還是聚光效能，都已經不適應開展更精細尺度的解析科研，“我們的裝置已經落後了。”他說。

在國外，新一代光源正在不斷建設，雖然我們也及時跟進，在上海、合肥等地規劃建設了光源，但也僅僅只能做到“跟進”，一旦國外裝置完成升級，我們又會再度落後。

2008年，董宇輝得知，位於法國的歐洲同步輻射裝置正在策劃新一期改造。時不我待，必須要彎道超車，建設世界上效能最高的第四代同步輻射光源——高能同步輻射光源。

“低能同步輻射光源側重於功能研究，比如化學反應、超導電性、磁性等；中、高能同步輻射光源側重於研究結構，可用於觀察單晶生長、蛋白質分子結構、航空發動機單晶葉片的結構缺陷等。”董宇輝說，它們不分優劣，各有千秋，但合肥光源是低能光源，上海光源是中能光源，我國還沒有高能光源。

要建大光源，就要建高能的，填補空白！大家想法一致。

從想法到落實，還需要論證。為了解決技術瓶頸問題，國家發改委支援了高能同步輻射光源的驗證裝置專案。在驗證裝置專案實施過程中，董宇輝擔任副經理，負責光束線站實驗技術的研發。經過近十年的攻關，驗證裝置終於完成，證明了我們的技術路徑完全可行，裝置效能完全可以滿足科研的需求。

2017年12月，國家發改委正式批覆了高能同步輻射光源專案建議書。第四代高能同步輻射光源選址在蓬勃建設中的北京懷柔科學城，成為其大科學裝置叢集中的核心裝置。董宇輝、潘衛民先後加入建設管理團隊。

▲ 高能同步輻射光源

這是一套無與倫比的大科學裝置，被稱為“北京光源”。它由儲存環及實驗大廳、綜合實驗樓、使用者服務樓、長光束線站、直線加速器等部分組成，總建築面積達12.5萬平方米。

從高空俯瞰，整體建築外形似一個放大鏡，安放在雁棲湖畔，寓意“探測微觀世界的利器”。這其中，1.36千米周長的儲存環裡要分佈2400多塊各種各樣的磁鐵，還有數不清的各類高精尖裝置。施工難度前所未有，工藝要求前所未有。其中一個建設指標是：儲存環的微振動幅度不能超過25奈米。施工單位負責人看到後的第一反應是：這是開玩笑吧？不可能！這種要求倒是在精密光學實驗中能見到，但那只是在幾米的範圍內實現。一個1.36千米周長的大圓環，最粗段的寬度超過30米，有混凝土有鋼樑，怎麼可能將微振動做到奈米量級？

▲ 高能同步輻射光源裝置專案示意圖

可這就是要求。超了，實驗精度就無法保證，必須想盡辦法解決。為此，建設團隊採用換填的辦法，在儲存環所在位置下挖3米，把所有土壤移走，然後澆築混凝土，打造出一個堅實的底座。“從分段測試來看，這一設計效果很好。我們會不斷跟蹤，根據加速器物理和光束線站要求，積極採取各種減震措施，確保微振動指標達標。”潘衛民說。

作為工程的總指揮和常務副總指揮，潘衛民、董宇輝的辦公室牆上都掛著一份零級工程建設計劃圖，將整個大光源的建設分解為82個步驟，每個步驟都標出了開始時間、完成時間。如直線加速器電子槍的安裝時間為2021年7月8日。潘衛民用紅筆將“8”改成了“1”，“這一步我們提前做完了。”他笑著對記者說，從6月底，專案先後完成了儲存環封頂、電子槍安裝，已經跑贏了既定安排。

潘衛民說，整個專案一共分解成了52個分系統，算上建設人員，最多時有超過1000人奮戰在雁棲湖畔。科研人員和建設隊伍克服了疫情帶來的種種不便，爭分奪秒在不同的領域攻關，第四代光源從技術難度上遠超現有的光源，很多技術領域處於世界前沿，更是我們的短板和空白。開工兩年了研究團隊仍在攻關，一點點奮力爬坡，每攀登一步就是一個新的高度。

在建設過程中，無論是國家還是北京市還是懷柔區，都給予了巨大的支援。比如在資金方面，國家發改委提供了建設資金，北京市還提供了配套資金9億多元。整個光源裝置的滿載執行功率達3.8萬千瓦，也就是一小時用電3.8萬度，為此，懷柔區相關部門對電網進行了擴容，以確保未來裝置能穩定執行。

從明年起，“北京光源”就將迎來大批科研裝置進駐安裝。潘衛民和董宇輝說，他們已經做好了準備，一定確保裝置安裝、除錯順利完成。“這是我們的‘後牆’，2025年12月31日。”潘衛民指著計劃圖最底下的幾欄，到了這個日期，整個高能同步輻射光源裝置就要建成投入試執行，“這個‘後牆’是不能倒的！”他目光堅定。

潘衛民和董宇輝自豪地說，高能同步輻射光源建成後，將是世界上亮度最高的第四代同步輻射光源之一，它的設計壽命為30年，建成後還會不斷升級改造，預期工作壽命可達50年甚至更長。

啟用後，這個超級“放大鏡”是這樣工作的：位於源頭的電子槍產生高品質的電子束，再由直線加速器將電子束加速到0.5GeV的能量，增強器將0.5GeV的電子束加速到額定的6GeV，然後電子束注入1.36千米長的儲存環軌道，以接近光速的速度運動。在儲存環上的不同位置，電子束透過彎轉磁鐵或者各種插入件時，會沿著偏轉軌道切線方向，發射高能的X射線。

董宇輝說，這些X射線透過一系列精密光學系統分光、準直、聚焦等再加工後，可提供奈米級空間解析度、皮秒（萬億分之一秒）級時間解析度的同步光。這些光匯聚到裝置的束線實驗站，為科研人員提供服務。

根據科學目標，高能同步輻射光源可以對物質的微觀結構進行全方位探測，解析物質結構生成及其演化的全週期全過程，探究材料效能和使用過程中失效的關鍵因素，解決高溫合金材料的製造、加工、服役和修復等環節中一系列複雜問題，還可以解析亞微米量級的蛋白質晶體結構，解釋重要蛋白的功能，推動新藥發明。

可以預見

在不久的將來

一批重量級科研成果就將誕生於

懷柔科學城！

來源：北京日報