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不发光的“上海光源”能做什么?

2010-01-31 00:00 未知 未知 阅读 0
核心摘要: 上海光源是中国最大的科学工程之一,于2009年通过国家验收并向全球开放。作为同步辐射光源装置,它产生从远红外到硬X射线的电磁波,为生物医学、材料科学、纳米技术等领域提供强大实验平台。文章介绍了其工作原理、先进性能(能量世界第四、亚洲第二)以及广泛应用,包括探测晶体结构、微电子加工、食品安全检测和航空安全评估。上海光源的建成标志着中国在大科学装置建设方面达到国际先进水平。

中国最大的科学工程之一“上海光源”,于2009年1月19日顺利通过国家验收并对全世界开放,标志着这一重大科学工程装置建设落下帷幕。上海光源为中国科学界和工业界提供了一个与世界同步的大科学实验平台,表明中国在建设国际先进水平的大型科学实验装置方面,具备了高水平的技术集成和创新能力。在由563名“两院”院士投票评选的“2009年中国十大科技进展新闻”中,“上海光源”的建成位列第三。

上海光源工程是我国近年来对光学工程投资的最大手笔,工程总投资约12亿元,从计划到建成历时16年。作为国家级大科学装置,上海光源对生物医学工程、材料科学、化工等前沿学科领域具有不可替代的价值。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、应用领域之广泛,是其他大科学装置无法比拟的。

上海光源工程引发了国际主流媒体和知名专业科学期刊的广泛关注。施普林格全文数据库、国际电气与电子工程学会、爱思唯尔出版公司旗下杂志都刊登了关于“上海光源”向世界开放的报道,并认为它将促进中国未来数十年内的科研崛起。

“上海光源”不见光

从字面上看,“上海光源”似乎是一个与照明有关的工程,但这一理解与实际意义南辕北辙。其学名为上海同步辐射光源(SSRF)。同步辐射光源指用同步加速器(一种利用电场和磁场操纵粒子、使其同步化的大型装置)制备的光源,原理是高能电子在同步加速器的环形轨道中运动时,辐射出波长短、能量高的电磁波。

严格来说,上海光源装置并非制造肉眼可见的光,而是发出从远红外到硬X射线的不同波长的电磁波。与可见光相比,这些看不见的光波长更短、能量更高,在科研中用途更大。全球同步加速器信息网站“光源”在对上海光源进行专题报道时称,“中国加入了世界一流同步加速器俱乐部”。

上海光源能量居世界第四(仅次于日本SPring-8、美国APS、欧洲ESRF),亚洲第二。装置由全能量注入器(包括电子直线加速器、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)、光束线和实验站组成。

在“上海光源”硕大的圆形装置中,无数电子束以接近光速在真空电子储存环中运行,并在拐弯时放出同步辐射光。同步辐射光束被引出后,“拆分”出不同波长的同步射光,并按用户要求进行聚焦等加工,然后输送到用户实验站。

在实验站,同步辐射光被“照射”到实验样品上,科学仪器记录下样品的各种反应信息或变化,经处理后变成揭示自然奥秘的曲线或图像。科学家和工程师不仅可利用其对极细微的晶体结构进行快速测定,还能完成对超大规模集成电路的“精雕细刻”。因此,上海光源装置宣布建成后,立刻有成千上万份申请材料递交过来。

微观世界的指路灯

上海光源工程所代表的同步辐射光源,提供了一盏通向微观世界的指路明灯,对纳米科学、微加工技术等的发展有很大促进。例如,普通光源只能看到物体表面,X射线强大的穿透能力使探测物体内部结构成为可能。生命科学迈入分子水平后,普通X成像分辨率(毫米级)已不能满足要求。上海光源成像站可提供的静态分辨率已达0.8微米,比千分之一毫米还小,开阔了医学观测的视野。

同步辐射光源另一个显著应用前景是在微电子机械系统领域。利用同步辐射X射线深度光刻技术,已研制出微型传感器、微型光电部件、微型马达、微电子开关等。随着集成电路集成度越来越高,同步辐射光刻技术可能成为几十纳米及以下集成电路的主要光刻手段。

上海光源工程对外开放,也将促进材料科学领域的研究。利用高亮度同步辐射光束,可以揭示材料中原子的精确构造,得到电磁结构参数等信息,这些既是理解材料性能的钥匙,也隐含着发明新颖材料的原理。此外,利用同步辐射光还能研究催化机理和催化剂特性,有助于发明新型催化剂,直接影响石油化工的效率和产出。

大材“小”用威力大

以上听起来高深莫测,离普通百姓生活遥远,其实不然。同步辐射光源已给人们生活带来意想不到的变化,很多就在身边细微之处。例如,巧克力中的可可油拥有6种不同晶体,口感特别好的巧克力晶体结构独特。国际巧克力生产巨头已能用同步辐射光源探测巧克力晶体结构,帮助生产更美味的巧克力。再如iPod等高端数字播放器,其磁盘中含有上千个微小磁场,依靠同步加速器才能生产出超小型iPod、提供更多储存空间。

在航空安全性方面,同步辐射光源也发挥重要作用。金属和巧克力一样具有独特晶体结构,当金属被腐蚀,其晶体结构发生改变。通过同步辐射光源拍摄飞机金属中的晶体结构,就能知道金属是否已被腐蚀,从而让有安全隐患的飞机停止飞行。

建上海光源“很难很复杂”

中国科学院院士杨福家用发射卫星来比喻上海光源的建造难度。他表示,上海光源的工作原理有点像微观层面的发射卫星——通过施加外力,让电子在指定轨道上运行;而其精度要求比发射卫星高100万倍。上海光源是极其复杂的大科学工程,包含众多系统,分别涉及超导高频技术、低温技术、超高真空技术、高精度数字化电源技术、高性能束流诊断技术以及先进光束线技术等领域,部件研制及系统集成难度极高。

以保持光束流高度稳定为例,光源轨道的垂直稳定度须控制在1微米以内。各种干扰因素包括施工地基不均匀沉降、储存环隧道和实验大厅地板扭曲变形、空气和冷却水温度变化、各种振动源等。工程人员随时随地严密监测,用一系列手段使上海光源稳定性达到世界一流水平。因此,在“光源”门口宽阔的柏油马路上,甚至看不到一辆大型汽车——因为哪怕振幅超过0.3微米的轻微震动,都会使当时正在进行的试验泡汤。

由该领域专家进行的工艺鉴定认为,上海光源工程实现了高水平的集成创新,自主研制的设备超过70%。从建筑、装置到设备,完全由中国科技队伍完成,安装也由我国技术工人队伍完成,高超工艺令国际同行叹服。上海光源的建成,标志着我国在建设大科学工程实验装置方面进入了世界先进行列。

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