璀璨未來(lái)：中國(guó)最新型高能同步輻射光源，即第四代同步輻射加速器裝置的計(jì)算機(jī)模擬圖片。在2025年底，該光源將建成并向世界開(kāi)放。那時(shí)，它將擁有多達(dá)70條束線(xiàn)。

在位于北京的中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所（IHEP，以下簡(jiǎn)稱(chēng)高能所）的入口處，矗立著一座閃閃發(fā)光的金屬雕塑。從遠(yuǎn)處看，這尊雕塑就像是一張長(zhǎng)有兩只螺旋狀眼睛的臉——一只眼睛是黑的，另一只是白的，而在眼睛的周?chē)鷦t是兩縷向兩個(gè)方向散發(fā)著的頭發(fā)。這尊雕塑仿佛就是畢加索創(chuàng)造出來(lái)的藝術(shù)品，只不過(guò)不是用畫(huà)筆，而是用彎曲的塑料管。

董宇輝教授是高能所的一名資深研究員。今年6月，在我訪(fǎng)問(wèn)高能所時(shí)，他給我講解了這座雕塑的寓意： “這尊雕塑其實(shí)是由中國(guó)的 ‘陰’ 和 ‘陽(yáng)’ 符號(hào)組成，‘陰’ ‘陽(yáng)’則表示組成萬(wàn)事萬(wàn)物不可分割的對(duì)立面?！?所以，起初被我誤認(rèn)為的 ‘眼睛’ 其實(shí)是 ‘陰’ ‘陽(yáng)’ 符號(hào)的首端坐落在一起，而那些發(fā)散的頭發(fā)則是符號(hào)的末端。

董宇輝補(bǔ)充說(shuō)，這一造型與北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（BEPC）非常契合。北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)自1988年以來(lái)，就一直在高能所運(yùn)作。他告訴我：“當(dāng)把 ‘陰’ ‘陽(yáng)’ 結(jié)合在一起時(shí)，你就能制造出很多東西，比如：電子和正電子，以及其他物質(zhì)?！?他接著說(shuō)，這尊雕塑是基于李政道先生提出的一個(gè)概念。李政道先生出生于中國(guó)，因其在宇稱(chēng)不守恒方面的杰出工作與楊振寧（Chen Ning Yang）先生一起分享了1957年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

董宇輝目前是高能所多學(xué)科研究中心的主任，他是一個(gè)充滿(mǎn)活力的人，而且總是談笑風(fēng)生。現(xiàn)在，他又接受了一項(xiàng)新的任務(wù)，即擔(dān)任中國(guó)最新型同步加速器——高能同步輻射光源（HEPS）項(xiàng)目的副經(jīng)理。該光源是中國(guó)即將建造的第四個(gè)同步加速器，已于今年6月29日正式破土動(dòng)工。

旋轉(zhuǎn)加速

從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，同步輻射其實(shí)與同步加速器無(wú)關(guān)。同步輻射是經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的結(jié)果：根據(jù)經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)定律，任何帶電粒子在加速時(shí)都會(huì)向外輻射能量。電子在同步加速器的圓形軌道中運(yùn)動(dòng)時(shí)也同樣遵循這一定律。 “同步輻射” 這個(gè)名字的由來(lái)是因?yàn)楫?dāng)粒子在圓形加速器中被加速時(shí)，束縛粒子進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)隨粒子動(dòng)量的增加而同步增大，兩者要在時(shí)間上要保持同步。

這一現(xiàn)象最早是在20世紀(jì)40年代末，由位于美國(guó)紐約斯克內(nèi)克塔迪市的通用電氣（GE）研究實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們首次發(fā)現(xiàn)。那時(shí)該實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行一個(gè)世界級(jí)的加速器和固體物理學(xué)研究項(xiàng)目。當(dāng)時(shí)，那里的一個(gè)小型GE同步加速器碰巧安裝了一個(gè)玻璃真空腔，可以讓科學(xué)家們直接觀(guān)測(cè)到輻射光。自此之后，這類(lèi)輻射光的名字上便永久地刻上了同步加速器的字樣。

最初，同步輻射是科學(xué)家們所討厭的現(xiàn)象。這是因?yàn)?，?dāng)能量超過(guò)某一臨界點(diǎn)時(shí)，任何注入電子的額外能量都會(huì)被迅速地輻射出去。如此一來(lái)，同步加速器的輻射光似乎限制了電子加速器的尺寸，也限制了其功率。但是，在隨后的十年里，物理學(xué)家們逐漸意識(shí)到，同步輻射有可能被用作強(qiáng)X射線(xiàn)源和精細(xì)可調(diào)諧X射線(xiàn)源，進(jìn)而用于衍射、光譜、成像以及其他用途。

位于美國(guó)加州的斯坦福直線(xiàn)加速器中心（SLAC）和其他地方的實(shí)驗(yàn)人員們逐步開(kāi)始使用那些被高能物理學(xué)家們拋棄的電子儲(chǔ)存環(huán)，或者是在它們沒(méi)有被使用時(shí)暫時(shí)地借用。董宇輝風(fēng)趣地說(shuō)： “這些實(shí)驗(yàn)人員是像是高能物理學(xué)家身上的寄生蟲(chóng)?！?他對(duì)同步加速器的歷史，以及北京正負(fù)離子對(duì)撞機(jī)都非常熟悉。可以說(shuō)，這就是一個(gè) “缺陷” 搖身一變，成為了實(shí)驗(yàn)工具的案例。

‘陰’ ‘陽(yáng)’ 交合：這尊雕塑坐落于北京高能物理研究所的大門(mén)外，它寓指加速器讓相反的兩種粒子，即電子和正電子碰撞在一起。

更新?lián)Q代

類(lèi)如斯坦福直線(xiàn)加速器中心的這種機(jī)器裝置屬于第一代同步輻射光源。隨后，同步輻射光源的用戶(hù)們便想要開(kāi)發(fā)屬于他們自己的專(zhuān)用機(jī)器，希望能夠獲得比使用高能物理學(xué)家制造的高能機(jī)器時(shí)還要更細(xì)的光束。更窄、更聚焦的電子束可以產(chǎn)生更加明亮的X射線(xiàn)。隨后，“亮度” 便成為同步輻射的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它與電子束的強(qiáng)度及其發(fā)散方式有關(guān)。

在上世紀(jì)70年代，布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的兩位加速器物理學(xué)家——雷納特·查斯曼（Renate Chasman）和肯·格林（Ken Green），專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一種磁體陣列，可以最大限度地提高電子束的亮度。第一代加速器，在配備上查斯曼-格林陣列后便升級(jí)成為第二代同步加速器光源。20世紀(jì)80年代開(kāi)始使用的布魯克海文國(guó)家同步加速器光源（NSL SI），以及位于英國(guó)達(dá)斯伯里市的同步輻射裝置都屬于第二代同步輻射光源。

后來(lái)，隨著中國(guó)在全球科學(xué)舞臺(tái)上不斷嶄露頭角，她也渴望參與進(jìn)來(lái)。因此，在1991年中國(guó)建成了北京同步輻射裝置（BSRF），這是中國(guó)首個(gè)此類(lèi)同步輻射光源。北京同步輻射裝置使用了一種改進(jìn)型查斯曼-格林陣列，但其電子源依然是來(lái)自于北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)。董宇輝笑著說(shuō)，這是一個(gè)具有不尋?；旌闲再|(zhì)的裝置， “它是第一代光源，但卻擁有著和第二代光源相同的參數(shù)?！?/p>

與全球其他50多個(gè)同步加速器相比，北京同步輻射裝置雖然目前仍在運(yùn)行，但其運(yùn)力早已捉襟見(jiàn)肘，尤其是它只有14條束流線(xiàn)。這比位于法國(guó)格勒諾布爾市的歐洲同步輻射裝置（European Synchrotron Radiation Facility）要少得多，其擁有40多條束流線(xiàn)，而布魯克海文國(guó)家同步輻射光源則擁有近80條束流線(xiàn)。但即便如此，目前北京同步輻射裝置仍在被高效、積極地使用著。在1995年，董宇輝獲得了凝聚態(tài)物理的博士學(xué)位，而他博士期間的研究工作正是在這里開(kāi)展，那也是這里開(kāi)展的第一批實(shí)驗(yàn)之一。

第四代光源，是否將成為最后一代？

在20世紀(jì)90年代中期，第三代同步加速器光源就已經(jīng)問(wèn)世。第三代加速器由一些長(zhǎng)而直的部件組成，這些部件用來(lái)容納被稱(chēng)為 “擺動(dòng)器” 和 “波動(dòng)器” 的儀器。從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，科學(xué)家們就開(kāi)始研發(fā)這種儀器，通過(guò)在加速器的直線(xiàn)部分使用一系列磁鐵來(lái)振蕩電子束，進(jìn)而使其發(fā)出更多的輻射光，從而提高同步輻射的亮度。

即北京同步輻射裝置之后，中國(guó)又先后建造了兩個(gè)同步加速器。合肥擁有一個(gè) “真正的” 第二代同步輻射裝置，而上海也擁有了一個(gè)第三代同步輻射實(shí)驗(yàn)室。而正在建造的高能同步輻射光源將成為中國(guó)首個(gè)第四代同步加速器光源，它也將成為世界上僅有的幾個(gè)此類(lèi)裝置之一。它將使用更先進(jìn)的，被稱(chēng)為 “多彎消色差透鏡” 的磁鐵陣列，從而獲得亮度更大的光束。

然而，這些新技術(shù)并不是建造第四代加速器面臨的全部挑戰(zhàn)。董宇輝告訴我說(shuō)，給高能同步輻射光源選址本身就是一件非常困難的事情。設(shè)計(jì)人員希望能夠?qū)ふ业揭粋€(gè)臨近北京的地點(diǎn)，這樣便能免去實(shí)驗(yàn)人員的長(zhǎng)途奔波。然而，該類(lèi)裝置又必須建造在人煙相對(duì)稀少的土地上，而且還得有穩(wěn)定的巖石基礎(chǔ)。在歷時(shí)四年后，設(shè)計(jì)人員最終才在北京的東北部，靠近京密引水渠附近發(fā)現(xiàn)了一塊合適的地方。京密引水渠是北京最主要的供水線(xiàn)路，它將密云的飲用水輸送到北京。

高能同步輻射光源設(shè)計(jì)周長(zhǎng)為1.3公里，擁有60 ~70條束流線(xiàn)和90多個(gè)實(shí)驗(yàn)站，預(yù)計(jì)將于2025年底建成。董宇輝介紹說(shuō)： “我負(fù)責(zé)所有的束流線(xiàn)，所以我必須決定需要建造什么樣的束流線(xiàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)站又將進(jìn)行何種實(shí)驗(yàn)，而且還得將所有這一切控制在預(yù)算之內(nèi)。更重要的是所有這些都要在六年半的時(shí)間里全部完成！”

從植物到蛋白質(zhì)

當(dāng)?shù)谒拇庠唇ㄔ焱瓿蓵r(shí)，北京同步輻射裝置可能將會(huì)被關(guān)閉。但就目前而言，它的使用仍然非?；钴S。董宇輝帶我四處參觀(guān)，并展示了這里所支持的各項(xiàng)研究工作。在我參觀(guān)的時(shí)候，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)正運(yùn)行在高能物理模式下。事實(shí)上，大約75%的時(shí)間它都運(yùn)行在該模式下。北京同步輻射裝置的一些束流線(xiàn)也會(huì)在高能物理模式下工作，但由于配備了強(qiáng)屏蔽性的保護(hù)罩，這時(shí)，我們依然可以在周?chē)杂尚凶摺?/p>

當(dāng)我們進(jìn)入北京同步輻射裝置的大樓時(shí)，一陣刺耳的警報(bào)聲響起。這表明同步輻射裝置正在進(jìn)行電子注入，這也意味著此時(shí)所有人將被限制進(jìn)入注入?yún)^(qū)域。董宇輝已經(jīng)在這里工作了30年，早已習(xí)慣了這種嘈雜的聲音，并未有什么反應(yīng)。大概一分鐘后，謝天謝地，嘈雜的警報(bào)聲停了下來(lái)。

北京同步輻射裝置的周長(zhǎng)為240米，實(shí)驗(yàn)站都位于環(huán)外的一個(gè)靠近端口的扇區(qū)內(nèi)。雖然只有14個(gè)站點(diǎn)，但該裝置平均每年卻要支持1800至2000名用戶(hù)，他們幾乎全部來(lái)自中國(guó)。在這里，有一堆堆用鋁箔覆蓋的管道和設(shè)備，還有一個(gè)個(gè)張貼著描述線(xiàn)站研究工作海報(bào)的櫥窗欄。

“這個(gè)是X射線(xiàn)吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（XFAS），” 董宇輝邊走邊介紹說(shuō)，“那個(gè)是X射線(xiàn)衍射，那邊是X射線(xiàn)熒光。和其他同步加速器一樣，多年來(lái)，這里的用戶(hù)群體也在不斷的發(fā)生著變化。他說(shuō)，起初大多數(shù)用戶(hù)都是凝聚態(tài)物理學(xué)家。后來(lái)，蛋白質(zhì)晶體學(xué)家們也開(kāi)始對(duì)同步輻射產(chǎn)生了興趣，他們逐漸意識(shí)到同步加速器發(fā)射出的X射線(xiàn)對(duì)于解決蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)問(wèn)題非常有價(jià)值，當(dāng)然前提是他們要有足夠多的樣本來(lái)放入光束中。

蛋白質(zhì)晶體學(xué)和其他一些生命科學(xué)中的應(yīng)用大大增多了在光源開(kāi)展研究工作的生物學(xué)家們。然而，就在幾年前，測(cè)定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)問(wèn)題的方法逐步被冷凍電鏡技術(shù)（Cryo-EM）所取代。冷凍電鏡技術(shù)使用獨(dú)立的設(shè)備，不需要太多的樣本就可以解決蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)問(wèn)題，這完全優(yōu)于同步輻射技術(shù)。冷凍電鏡技術(shù)的發(fā)展在一定程度上減慢了蛋白質(zhì)晶體學(xué)家在同步加速器用戶(hù)群中擴(kuò)增的速度。

隨后，我和董宇輝在X射線(xiàn)熒光研究站停了下來(lái)。那里張貼了一張海報(bào)，上面呈現(xiàn)著該站研究的三種不同植物的照片。董宇輝解釋說(shuō)，這張海報(bào)展示了其中一種植物對(duì)鉻的吸收情況。 “在這個(gè)線(xiàn)站，他們正在研究環(huán)境污染問(wèn)題。這種植物來(lái)自中國(guó)南方的一個(gè)鉻污染嚴(yán)重的地區(qū)，研究人員正在嘗試使用某些真菌從土壤中吸取殘留的鉻?！?/p>

這另一張海報(bào)則是關(guān)于一株水稻。董宇輝解釋道：“這株水稻來(lái)自貴州省，大約在3000年前的漢代，那里就存在著一個(gè)水銀礦。我們之所以能推算出3000年前的情況，是因?yàn)榭梢詮乃局袑⑵渫渡涑鰜?lái)出來(lái)！雖然對(duì)水銀的開(kāi)采早就停止，但污染的程度仍然很?chē)?yán)重。研究人員利用北京同步輻射裝置的技術(shù)，來(lái)尋找降低水稻中汞毒性的方法，尤其是探索硒元素在其中的作用。

他繼續(xù)解釋說(shuō)：“硒可以與汞結(jié)合，將其沉積在谷物的表面。然后通過(guò)機(jī)器拋光谷物的表面，進(jìn)而除去這些顆粒。在這個(gè)線(xiàn)站，他們正在精確地定位汞與硒結(jié)合的具體位置。” 盡管這種谷物不會(huì)供人類(lèi)或動(dòng)物食用，但卻可以用來(lái)生產(chǎn)工業(yè)酒精。董又說(shuō)道：“要知道，在人口密集的地區(qū)，我們必須充分利用每一塊耕地?！?/p>

和世界上的其他光源相同，北京同步輻射裝置同時(shí)為學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)用戶(hù)服務(wù)。產(chǎn)業(yè)界用戶(hù)也可以免費(fèi)使用這些裝置，只要他們公開(kāi)發(fā)表其研究結(jié)果；反之，如果工業(yè)用戶(hù)選擇不公開(kāi)其研究結(jié)果，就必須支付全部費(fèi)用。但從在同步輻射線(xiàn)站上開(kāi)展研究工作的制藥公司來(lái)看，中、西方對(duì)光源的應(yīng)用還是存在著某些差異的。

在西方，例如像諾華（Novartis）、默克（Merck）和輝瑞（Pfizer）等公司，它們規(guī)模龐大、實(shí)力雄厚，足以從頭到尾研發(fā)出一種新型藥物。董宇輝說(shuō)，藥物開(kāi)發(fā)最昂貴的部分就是臨床試驗(yàn)， “這些大公司會(huì)在同步輻射裝置上建造束流線(xiàn)，并有著與機(jī)器供應(yīng)商相互合作的經(jīng)驗(yàn)。而在中國(guó)，我們沒(méi)有這么富有的公司。這里的公司只能承擔(dān)起一些 ‘廉價(jià)’ 的研究，比如解出一個(gè)結(jié)構(gòu)，并去檢驗(yàn)它如何與其他分子發(fā)生相互作用。他們很想秘密地進(jìn)行測(cè)試——有時(shí)候他們甚至不會(huì)告訴我們測(cè)試的是哪一種蛋白質(zhì)。這就使得合作變得更加困難?！?/p>

轉(zhuǎn)折點(diǎn)

董宇輝曾經(jīng)告訴過(guò)我，在這里，他逐漸開(kāi)始厭倦了那些例行公事般的流程：“用戶(hù)來(lái)了，用戶(hù)又走了，研究變得越來(lái)越復(fù)雜，研究人員不知道機(jī)器的細(xì)節(jié)，操作員不得不幫助他們。因此你不得不很少去注意機(jī)器本身，而是更多地去關(guān)注用戶(hù)的需要?！?另外，董還對(duì)同步輻射源技術(shù)進(jìn)展的緩慢感到失望，他說(shuō)：“在本世紀(jì)，同步輻射技術(shù)幾乎沒(méi)有任何創(chuàng)新?！?/p>

在董宇輝看來(lái)，由于受到光束光斑和聚焦大小的限制，同步加速器似乎正在接近光學(xué)可能施加的亮度極限。在幾年前，他就曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，第四代同步加速器光源甚至被公認(rèn)為 “終極存儲(chǔ)環(huán)”。就高能同步輻射光源，他們將建立專(zhuān)門(mén)的研究中心，用以連接研究團(tuán)隊(duì)和機(jī)器的運(yùn)行者，加強(qiáng)彼此之間的合作。董宇輝還提到了一些關(guān)于這些設(shè)施的新想法，比如康奈爾大學(xué)的研究人員提出的一種能量回收直線(xiàn)加速器裝置。希望這些創(chuàng)新能夠幫助同步加速器在之后的幾十年里贏得一個(gè)更加璀璨的未來(lái)。