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前沿科技:探秘 “合肥光源”
发布日期: 2015-02-03 16:37:09 作者: admin 点击数:0

作为我国首台以真空紫外和软X射线为主的专用同步辐射装置,“合肥光源”近30年来持续释放“神奇之光”,为科技人员照亮未知的微观世界——
日前,中国科学技术大学国家同步辐射实验室“合肥光源”重大升级改造项目,顺利通过中科院组织的专家组验收。基于合肥现有的国家同步辐射“合肥光源”、全超导“托卡马克”和稳态强磁场3个相互关联的大科学装置,中国科学院合肥大科学中心于去年底获批筹建,合肥再次成为引领我国先进光源、核聚变工程、强磁场等领域大科学装置发展的创新高地。

宛若“飞碟”落人间

沿着合肥市合作化路高架桥自南向北行驶,有一个“飞碟”状建筑矗立在中科大西区,那就是“合肥光源”所在地——国家同步辐射实验室。如果不是中科大工作人员特别提及,估计很少有人知道:“合肥光源”是我国首台以真空紫外和软X射线为主的专用同步辐射光源,国家同步辐射实验室则是新中国第一个国家级实验室。

早在1977年国家科学大会上,我国就首次提出建设同步辐射光源的设想。那时,中科院打破常规,将这一艰巨的任务交给中科大近代物理系。 1983年4月,国家同步辐射实验室成立;6年之后的1989年4月,“合肥光源”发出第一束“神奇之光”,“合肥同步辐射加速器及光束线实验站”也因此获得1992年中科院科技进步奖特等奖和1995年国家科技进步奖一等奖。

说起同步辐射,不少人要感叹其“高大上”。“其实,简单地说,同步辐射就是一种光。 ”国家同步辐射实验室主任陆亚林介绍,以光速运动的高能电子,在磁场中转弯时,沿轨道切线方向所发出的电磁辐射(即发“光”),就是同步辐射。光辐射是透视微观世界的一把“利器”,“合肥光源”的真空紫外波段可用于电子迁移、自旋运动和能量传递过程的研究,让人们认识超导等先进材料以及蛋白质的性质和功能;X射线波段可用于蛋白质、凝聚态物质的晶体结构研究。陆亚林表示,同步辐射作为一种先进的光源,在国家安全、能源、工程材料实时研究等方面发挥着关键的平台支撑作用。质子加速器治癌、离子辐照培育农作物新品种、光谱技术分析汽车尾气……随着科技成果的转化,一些同步辐射技术已逐渐改变着人们的生活。

“顶天立地”做科研

2007年,我国首颗探月卫星“嫦娥一号”成功发射,并传回首张月面图像,标志着我国从此迈入具有深空探测能力的国家行列。鲜为人知的是,“嫦娥一号”首次飞行任务携带的太阳风离子探测器,其正机实验标定和测试,就是在“合肥光源”上完成。

“顶天立地”,是国家同步辐射实验室做科研的一项基本原则。 “顶天,就是要在基础研究方面,处在世界最前沿。立地,就是要推动科技成果转化,为区域经济发展作出实实在在的贡献。 ”中科大相关负责人表示。近年来,围绕蛋白质研究、发育与生殖研究、量子调控研究、能源与环境、纳米研究、新型功能材料等国家重大科学需求,“合肥光源”立足基础研究、瞄准世界前沿,在火灾防治、量子科技等领域产生一系列重大突破,科技成果多次登上《科学》《自然》等国际顶级学术期刊,并获得国家科技进步奖一等奖和中国十大科技进展等荣誉。

在“立地”方面,国家同步辐射实验室围绕我省战略性新兴产业,力促科技成果转化。新能源汽车,是我省颇具代表性的新兴产业,推动这一产业更好、更快发展,需要进一步提升电池续航能力和安全性能,而锂电池隔膜是电池固有安全的关键材料。但由于技术限制,国内70%的锂电池隔膜依赖进口。记者在采访中获悉,基于“合肥光源”所产生的新技术,已大大提升锂电池隔膜的安全性能。目前,国家同步辐射实验室正在与芜湖一家公司洽谈合作,届时锂电池隔膜有望终结主要靠进口的尴尬局面。在加速器研制领域,该实验室研制拥有多项核心技术,成果已在我省时代出版等公司应用。

“神奇之光”更惊艳

近日,改造后的“合肥光源”迎来首批用户,复旦大学和上海交大的科技人员利用角分辨光电子能谱实验站,分别测量了重费米子与铁基超导样品,对稀磁半导体和拓扑绝缘体进行了研究。 “升级后的‘合肥光源’,已达到国际同类装置的先进水平,与北京、上海光源形成互补。 ”陆亚林表示。目前,中国运行和在建共5个同步辐射装置,分别为“合肥光源”“北京光源”“上海光源”以及台湾“新竹光源”和台湾光子源,但作为全球仅有的几家低能区(真空紫外—软X射线)光源之一,“合肥光源”独具特色的平台作用不容小觑,也不可替代。

在实验室里,记者看到一个六边形的大型密闭墙体,长短不一的管道穿梭其间,低鸣的机器正在运转,一切外在看似普通,但内涵的惊艳非同一般。正在操作仪器的工作人员告诉记者,此前“合肥光源”主要技术指标仍维持在上世纪80年代的设计水平,发射度大、亮度低,已难以满足未来科学挑战对真空紫外到软X射线光源提出的更高要求。 2009年,中科院和中科大决定共同投资1.7亿元,对其进行新一轮重大升级改造,通过采用先进的加速器物理设计,新建直线加速器和储存环,提高加速器总体性能,使“合肥光源”特色更加鲜明。

“经过改造,‘合肥光源’性能已提升到准三代光源水平。 ”陆亚林透露,实验室坚持以自主创新为主,采用高水平的集成创新,突破原有二代光源空间限制,将新技术完美地融入旧的框架之中。比如,储存环采用我国自主研制的固态高频发射机,光源运行可靠性大幅改善;应用自主设计的多功能六极磁铁,大大节约空间,并保持良好的轨道调节灵活性。 “自主创新和新技术集成,极大地提升了‘合肥光源’的系统性能,让它成为全国乃至世界低能区光源中不可或缺的一支力量。 ”陆亚林表示。

每引出一束同步辐射光,就可照亮一个学科领域。记者获悉,在原有15条光束线及实验站的基础上,“合肥光源”这次升级改造又新建具有国际先进水平的燃烧、软X射线成像、催化与表面科学、角分辨光电子能谱和原子与分子物理5条光束线及实验站,将为材料、能源、物质与生命交叉以及环境科学等领域提供先进的研究平台。

去年底,依托“合肥光源”“托卡马克”和稳态强磁场3个大科学装置,中科院决定筹建合肥大科学中心。陆亚林说,作为合肥大科学中心的重要组成部分和国内高校唯一的大科学装置,“合肥光源”将进一步聚集海内外科研力量,支撑核聚变与等离子体科学、量子功能材料等前沿领域创新研究,创造更多具有世界影响的原创性成果。