神奇之光

2009年4月,我國迄今為止最大最先進的科學裝置,位居世界先進行列的第三代中等能量的同步輻射光源——“上海光源”終于正式建成運行了。什么是同步輻射光源?為什么要耗資12億元歷經52個月建設一個如此巨大的高科技工程?

光的家族

我們的眼睛之所以能看見物體,是由于物體發出的光線或物體反射的光線進入了我們的眼睛。我們能看見點燃的蠟燭和初升的太陽,是因為它們能發光;我們能看見綠水青山和十五的月亮,是因為它們能反射太陽光。

光是一種電磁波。光的顏色不同,是因為它們的波長不同。光的波長通常用納米來表示,一納米為十億分之一米。在我們常見的紅、橙、黃、綠、青、靛、紫七種顏色的光中,紅光的波長最長,有700納米,紫光的波長最短,約400納米。從紅光到紫光,這些人眼能看見的光是“可見光”,超出這個波長范圍的光,如, 波長比紅光更長的紅外線,比紫光更短的紫外線,人的眼睛就看不見了。

如果我們把電磁波家族的成員按波長從長到短、由左向右排個隊,那么位于最左端即波長最長的是無線電波,接著是微波、紅外線、可見光、紫外線、軟X射線、硬X射線,而位于最右端即波長最短的是伽瑪射線。盡管除了可見光其他的電磁波我們都看不見,但它們卻是實實在在存在的。天文學家借助無線電波來探索遙遠的未知星球;士兵借助雷達的微波能偵察到幾百千米外的飛機;而紅外線理療對人體組織產生的熱作用和促進再生作用已為臨床應用所肯定。眾所周知,適量的紫外線對人體有許多好處,但過度接觸紫外線會燒傷皮膚,引發白內障;醫生通過X射線透視病人的骨骼和內臟,利用伽瑪射線為病人做手術。

同步輻射光

科學家告訴我們,利用光能分辨的最小物體,和光的波長相近。例如,利用無線電波能分辨的最小物體約一個棒球的大小,而利用可見光則能看清細胞的結構。1895年,德國物理學家倫琴發現了X射線,它能穿透可見光無法穿越的物質,讓人們看清了分子的構成。然而,構成分子的原子乃至構成原子的更小粒子,仍然處在模糊的黑暗中。

1947年,美國科學家在用同步高能加速器做實驗時發現:在真空環境中,以接近光速運動的電子在改變運動方向時,會沿運動的切線方向釋放出明亮的藍白色光。由于這種電磁波來源于同步加速器,因而被稱為“同步輻射光”。令世人矚目的“上海光源”是目前位居世界先進行列的第三代同步輻射裝置。它產生的同步輻射光又亮又直,強度比X光高上萬倍、亮度比X光高上億倍,且非常穩定。其波長范圍從紅外光到硬X射線都有,只要進行適當過濾,就能得到所需波長的非常純凈的光。

好奇的你一定會問,利用這些光線到底能做些什么?能看到些什么?在“上海光源”的試運行階段,生物學家利用它產生的同步輻射光,看到了7億年前胚胎化石的內部結構,拍下了蝗蟲活體的呼吸透視圖,看到了腫瘤組織的血管分布,甚至看到了嬰兒胎發粗如樹皮的表面。如果說X光是一支蠟燭,讓人類看到了微觀世界的模糊影像,那么,同步輻射光就是太陽,讓整個微觀世界終于顯露了它復雜的構造。

電子從這里出發

同步輻射光好神奇,但要獲得它可不容易。同步輻射裝置由直線加速器、增強器、儲存環、光束線和實驗站組成。其中,直線加速器是電子出發的地方。電子槍能夠根據需求,不間斷地打出電子束。電子先在直線加速器中作30米的“加速跑”,使其能量增大到150兆電子伏特。然后,進入增強器,在這個周長180米的環形“第二跑道”里,電子需要在0.25秒內迅速跑完40萬圈,使能量驟增20多倍。再被引出增強器,進入儲存環。當電子在這個周長432米的大圓環里,以接近光速運行時,便可以24小時不間斷地,通過60多條光束線,為實驗站提供穩定的同步輻射光。

電子從出發的那一刻起,直到在儲存環中穩定發光,然后通過光束線引出,這一系列過程都必須在非常穩定的密閉的超高真空管道中進行。在超高真空管道外,排列著大小各異、隊形整齊的電磁鐵,由它們產生的磁場來給電子約束尺寸和牽引方向;同時用高頻加速腔給電子加速和補充能量。此外,還有許多探測儀器和冷卻溫控等設備。所有這些設備的安裝擺放,無論朝向、上下左右的位置,其精度都必須達到十萬分之一米。

從儲存環的切線方向伸出來的一條條光束線,可以根據不同的需求,把包含了各種波長的同步輻射光過濾成所需波長的光,例如軟X射線或硬X射線等。這個工作主要就由單色器來完成。在實驗站工作的科學家,并不直接觀看同步輻射光,因為它們絕大部分不屬于可見光范圍,而且能量極高,不能直接接觸眼睛。他們利用光束線引出的同步輻射光進行實驗,他們觀看的是通過攝像頭傳輸出來的實驗過程,例如,蛋白質如何折疊、肌肉纖維如何收縮、晶體如何生長等等。他們分析研究的是通過各種儀器和軟件搜集的數據。

好大一只“鸚鵡螺”

位于浦東張江高科技園區的“上海光源”,是一個銀白色鋁板與藍色保溫玻璃相間的巨大的“鸚鵡螺”式的建筑。這是一座非常特殊的建筑,由于同步輻射光是由在真空中高速運動的電子在改變運動方向時產生的,因此整個建筑的振動必須極其微小。當振動頻率在1～100赫茲時,引起的振幅不可超過0.3微米,否則,運動中的電子就會撞上真空管壁“香消玉殞”,聚焦后不到1毫米的同步輻射光斑就會無法對準樣品。

其次,地基微沉降必須小于1毫米,而且整個建筑的沉降必須非常均勻。實驗大廳每年每10米距離的沉降差不得超過0.35毫米,儲存環更要低于0.25毫米,而且建成3年后,這個數值還要小于0.1毫米。要知道,一般建筑沉降都是以厘米來計的。要在上海這樣的沖積平原的軟土上,建造要求如此苛刻的巨大“鸚鵡螺”,其難度可想而知。

此外,整個實驗大廳的溫度變化不得大于2℃。為此,對“鸚鵡螺”表面采用了保溫、防水一體化處理,所用的藍色玻璃是經特殊的“透光不透熱”工藝處理的。除了恒溫,還必須防止輻射泄漏。為此,直線加速器、增強器、儲存環隧道的墻體都特別厚,而且墻面不得有大于0.15毫米的貫穿裂縫。光束線末端的實驗站,用厚實的鉛板搭建,并且拼接得天衣無縫。除此之外,還配上了多重安全措施,確保萬一發生意外,也不會有輻射泄漏。

我們有理由期待

如果你問我,耗資12億元,歷經52個月,建設一個如此巨大的高科技工程,難道就為了得到幾束同步輻射光?我可以告訴你,獲得1997年、2003年、2006年諾貝爾化學獎的科研成果,都誕生于世界上已投入使用的同步輻射裝置的實驗站。由此可見它對科學技術的研究和發展有多重要。

第三代同步輻射光源引出的硬X射線特別亮,聚成的光斑特別小,可以不到0.2微米,能清楚地描述原子的精確構造,看清幾百納米的細微結構。目前,世界上80%的新蛋白質的結構,都是依靠同步輻射光源測定的。由于第三代同步輻射光的亮度特別高,使得這一類測定的精度顯著提高,時間大大縮短,不僅極大可能地保持了樣品的活性,而且還使觀察和記錄生命的動態變化成為可能。以同步輻射光源替代普通X光,不僅能縮短掃描時間,而且還能拍出非常精細的CT圖像。利用同步輻射雙色減影心血管造影技術,能為心血管病的早期診斷提供安全、快速、高清晰的診斷依據。

作為世界上性能最好的第三代中等能量的同步輻射光源之一,“上海光源”是我國生命科學、材料科學、環境科學、化工、醫藥、地質、微電子等幾乎所有學科的科學家夢寐以求的大科學裝置,它能同時容納成百上千名來自全國乃至全世界的科學家和工程師進行基礎研究和技術開發。“上海光源”的設計使用壽命為30年。我們有理由期待在這30年間,在這個發出神奇之光的“鸚鵡螺”中,我國的科學研究將取得驚人的成就。