黃永盛：仰望星空 腳踏實(shí)地

孟小雪

2019年到401探望王乃彥院士（左起段曉焦、王乃彥院士、黃永盛）

激光是20世紀(jì)以來，繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明，常常被譽(yù)為是“最快的刀”“最準(zhǔn)的尺”“最亮的光”。從1960年世界上第一臺激光器的成功研制開始，激光技術(shù)迅速風(fēng)靡全球。與此同時(shí)激光技術(shù)的每一次提高，都極大地拓展了物理學(xué)的研究領(lǐng)域。尤其是在20世紀(jì)80年代末，啁啾脈沖放大技術(shù)（Chriped Pules Amplification，即CPA）的出現(xiàn)，促使激光光強(qiáng)達(dá)到1023W/cm2以上，讓超強(qiáng)超短激光的研究迎來了飛速發(fā)展，也開創(chuàng)了激光技術(shù)發(fā)展的新紀(jì)元。

“強(qiáng)激光技術(shù)與傳統(tǒng)加速器的結(jié)合，可以獲得相對論的粒子束團(tuán)，以及高亮度的準(zhǔn)單能X射線或γ射線。比如強(qiáng)激光驅(qū)動的逆康普頓γ光源，它在核天體物理研究、材料診斷、醫(yī)學(xué)成像、粒子物理和核物理等基礎(chǔ)研究以及國家安防等領(lǐng)域中都具有廣泛的應(yīng)用前景，例如，我國正在規(guī)劃的大型環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)的束流能量以及束流極化的精確測量。”中國科學(xué)院高能物理研究所（以下簡稱“高能所”）研究員、北京試驗(yàn)束裝置負(fù)責(zé)人黃永盛在采訪中介紹說。多年以來，他一直致力于強(qiáng)激光驅(qū)動產(chǎn)生高性能粒子束、激光核物理以及高亮度γ束產(chǎn)生、γ探測技術(shù)以及其應(yīng)用開拓研究，不斷用辛勤和汗水澆灌出科學(xué)之花，為中國高能物理領(lǐng)域的發(fā)展增添助力。

夢想成為一名科學(xué)家

來自山西神池的黃永盛，自幼就有一個(gè)夢想——“成為一名科學(xué)家”。在夢想的召喚下，他在學(xué)業(yè)上從未有過懈怠，總是積極抓住每一次機(jī)會，一步步地向前邁進(jìn)，不斷攀登著求學(xué)高峰。

年少的他很喜歡讀書學(xué)習(xí)，尤其是數(shù)學(xué)，成績在班上一直名列前茅。高考時(shí)，本想報(bào)考數(shù)學(xué)專業(yè)，但由于家里的經(jīng)濟(jì)條件有限，懂事的黃永盛便改報(bào)了清華大學(xué)工程物理系?！爱?dāng)時(shí)工程物理系招收定向生，這個(gè)專業(yè)不僅可以免收學(xué)費(fèi)，還會發(fā)一些生活費(fèi)，對我來講確實(shí)是一個(gè)折中的辦法。”采訪中黃永盛坦言道。

4年中，身處我國一流學(xué)府，在老師們悉心的教導(dǎo)下，在同學(xué)們奮發(fā)讀書的氛圍中，黃永盛就像海綿一樣，努力汲取著知識，完成了復(fù)分析、拓?fù)鋵W(xué)、核反應(yīng)堆物理、核輻射與探測學(xué)等專業(yè)課的學(xué)習(xí)。當(dāng)時(shí)為了做好畢業(yè)設(shè)計(jì)，在金兆雄教授的引薦下，黃永盛專程騎著自行車前往北京師范大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)研究院請教王乃彥院士，這也是他第一次和王院士見面。

此后，憑借優(yōu)異的成績和對科研的執(zhí)著熱愛，黃永盛以清華大學(xué)和中國原子能科學(xué)研究院聯(lián)合培養(yǎng)的形式在清華大學(xué)工程物理系繼續(xù)攻讀直博，師從王乃彥院士和高喆研究員，正式進(jìn)入激光加速領(lǐng)域，開始從事超短超強(qiáng)激光加速離子的機(jī)制研究。名師出高徒，潛移默化中，王乃彥院士嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的學(xué)習(xí)態(tài)度和工作精神無不影響著黃永盛。而他也沒有辜負(fù)老師們的精心栽培，相繼榮獲了“清華大學(xué)工程物理系學(xué)術(shù)新秀”“清華大學(xué)研究生學(xué)術(shù)新秀”“清華大學(xué)優(yōu)秀博士畢業(yè)生”“蔡詩東等離子體物理獎”等多項(xiàng)榮譽(yù)，為自己的學(xué)生時(shí)代畫上了圓滿的句號。

用科研成果反哺社會

羅馬不是一天建成的，一個(gè)人的成才之路也是如此。只有不斷地將理論知識應(yīng)用與實(shí)踐，逐步積累經(jīng)驗(yàn)才能真正成才。2009年，完成博士學(xué)習(xí)的黃永盛，正式加入有著“中國核工業(yè)搖籃”之稱的中國原子能科學(xué)研究院（以下簡稱“原子能院”），并擔(dān)任核技術(shù)應(yīng)用研究所高功率準(zhǔn)分子激光實(shí)驗(yàn)室助理研究員一職。此后7年中，他一直從事強(qiáng)激光加速離子的機(jī)制、強(qiáng)激光高亮度逆康普頓伽瑪射線源、強(qiáng)場相對論等離子體中非線性量子電動力學(xué)效應(yīng)等研究，并多次參加或主持國家原“973”項(xiàng)目、國家原“863”項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金青年基金等項(xiàng)目，積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，也完成了從助理研究員、副研究員到實(shí)驗(yàn)室主任助理、實(shí)驗(yàn)室副主任的蛻變。

以國家自然基金青年基金項(xiàng)目“超短超強(qiáng)激光與等離子體相互作用加速產(chǎn)生相對論離子的機(jī)制研究”為例，在該項(xiàng)目中黃永盛及其團(tuán)隊(duì)開展了激光加速相對論離子的深入理論研究工作，建立了適用于研究激光與固體物質(zhì)相互作用加速離子相對論性的真空等離子體膨脹理論及解析模型，并給出了加速離子能量隨激光能量、脈寬等參量的表達(dá)式。此后，黃永盛將相關(guān)科研成果總結(jié)整理，以第一完成人的身份榮獲了中國核工業(yè)集團(tuán)公司科學(xué)與技術(shù)獎三等獎。

2017年7月，黃永盛以研究員引進(jìn)人才的身份到高能所工作，并擔(dān)任北京試驗(yàn)束負(fù)責(zé)人，踏上了新的征程。“在高能所的這幾年，我學(xué)到了一個(gè)大的科研項(xiàng)目應(yīng)該怎么去規(guī)劃、組織、領(lǐng)導(dǎo)，以及探測器的設(shè)計(jì)，這些經(jīng)驗(yàn)很重要?！秉S永盛坦言道。目前，他的主攻方向?yàn)楦吡炼燃す饪灯疹Dγ光源、CEPC同步輻射光源應(yīng)用開拓、CEPC束流能量標(biāo)定以及γγ對撞機(jī)總體方案設(shè)計(jì)。

“光分為可見光和不可見光，通常我們用‘全光譜’的概念來描述所有類型的光，波長從長到短則對應(yīng)的光的能量也從弱到強(qiáng)。根據(jù)波長的長短可分為7大類，其中可見光的波長為400nm～700nm，X光（X射線）的波長為1nm～100nm，而γ光（γ射線）的波長小于1nm，這就意味著γ射線帶有高能量，并具有比X射線還要強(qiáng)的穿透能力?！秉S永盛詳細(xì)地解釋道。

“光子是不帶電的，它更容易到達(dá)原子核的最深層次，所以能利用高亮度的γ光源實(shí)現(xiàn)對鋼材等一些特殊材料內(nèi)部損傷和裂縫的檢測，從而為提高特種材料性能提供寶貴數(shù)據(jù)。例如飛機(jī)的機(jī)翼以及發(fā)動機(jī)葉片，它需要能夠承受高空氣流的壓力，普通鋼材則無法滿足這個(gè)要求?！秉S永盛舉例解釋說。的確，物質(zhì)的性質(zhì)由其內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)決定，只有觀測到材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)才有可能研制出符合實(shí)際需要的材料。目前，康普頓γ光的穿透性還被用于海關(guān)檢測領(lǐng)域進(jìn)行集裝箱無損檢測。

此外，北京試驗(yàn)束裝置（BEPCII）E2束線的升級改造也是黃永盛的工作重點(diǎn)之一。據(jù)介紹，在王乃彥院士和鄭志鵬研究員的帶領(lǐng)下，黃永盛已完成了激光核物理實(shí)驗(yàn)研究平臺的建立。該平臺基于BEPCII 2.5GeV直線加速器的激光康普頓散射γ光源，光子能量4MeV～110MeV，光通量預(yù)計(jì)可達(dá)到104-5/s。這個(gè)高能高亮度準(zhǔn)單能γ光源實(shí)驗(yàn)平臺，未來將有望開展核天體物理以及核嬗變反應(yīng)方面的研究工作。平臺建立期間，黃永盛還完成了激光與束流同步參數(shù)的在線測量、探測器的離線標(biāo)定等重要預(yù)備工作，獲得了高能LCS-γ信號。“這是由原子能院、高能所、九院一所（即中國工程物理研究院流體物理研究所）等3家20多位專家連續(xù)3年協(xié)作努力的結(jié)果。”黃永盛滿懷感激地說道。但令人倍感遺憾的是，由于缺少科研經(jīng)費(fèi)，相關(guān)研究的后續(xù)工作目前并沒有能夠繼續(xù)下去。

與沈文慶院士（右）在2018年第631次香山會議期間合影

值得一提的是，在被稱為中國“超級對撞機(jī)”的環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)（CEPC）項(xiàng)目中，黃永盛負(fù)責(zé)其束流能量標(biāo)定和同步輻射束線應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研工作。據(jù)悉，該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)計(jì)劃于2018-2022年間建成一系列關(guān)鍵部件原型機(jī)，以驗(yàn)證技術(shù)和大規(guī)模工業(yè)加工的可行性。CEPC預(yù)期于“十四五”開始建設(shè)，并于2030年前竣工。CEPC未來可能的發(fā)展方向之一是升級為一個(gè)超級質(zhì)子對撞機(jī)（SppC），質(zhì)心能量將達(dá)到100TeV，可以在大范圍內(nèi)直接尋找新的物理現(xiàn)象和物理規(guī)律。

未來大型正負(fù)電子對撞機(jī)不僅僅可以帶我們窺探物質(zhì)本源，還同時(shí)規(guī)劃了四條極具科學(xué)和應(yīng)用價(jià)值的同步輻射光束線站。其特征能量可達(dá)到365keV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前規(guī)劃的所有的同步輻射光束線，可快速無損地監(jiān)測大型鋼結(jié)構(gòu)元器件，比如大型發(fā)動機(jī)葉片。規(guī)劃中的Wiggle束線能量更是可以達(dá)到幾十甚至數(shù)百M(fèi)eV，不僅可滿足光核物理等基礎(chǔ)研究的需求，還可以用來生產(chǎn)醫(yī)用同位素Mo99，其產(chǎn)能非常可觀。

“激光康普頓γ光源相關(guān)研究雖是一個(gè)學(xué)科交叉領(lǐng)域，容易出現(xiàn)新的發(fā)現(xiàn)，但它并不是主流的領(lǐng)域，因此獲得的經(jīng)費(fèi)支持并不充分。希望將來國家能夠加大對這一領(lǐng)域科研的資助，我們也將竭盡所能地用科研成果反哺到老百姓的日常生活中去，為民用、社會發(fā)展貢獻(xiàn)更多的力量。”黃永盛滿懷期待地說道。