攻克一项项关键技术 为青年科学家“铺路” 上海光源背后站着一群“有志青年”

时间：2024-07-03   来源：保洁服务项目

  攻克一项项关键技术 为青年科学家“铺路” 上海光源背后站着一群“有志青年”

  5月15日，国家重大科学技术基础设施建设项目——上海光源线站工程通过国家验收。位于上海张江的上海光源是中国大陆第一台第三代同步辐射光源，2009年5月6日正式对用户开放，至今仍在随着前沿科学的研究需要不断更新迭代。

  数据显示，上海光源开放15年来，已经服务用户超过4.7万人，支撑用户执行课题2.2万项，截至2023年年底执行机时超过71.6万小时。值得注意的是，上海光源85%以上的用户为青年科学家和研究生，而“造出”上海光源的研究人员也有80%以上为青年。

  很多人不知道，在上海光源开放前，很多中国科学家只能到欧美国家的第三代同步辐射装置上“借光”。国内一位知名的结构生物学家过去就要和学生一起排“国际长队”去日本光源收实验数据，但到2014年就能用上海光源来破解蛋白质之谜。

  从向发达国家“借光”到自己国家“有光”，上海光源背后站着一群颇有志气的年轻人。

  上海光源的巨大成就，总体可以分为两个部分。一是上海光源建设本身需要克服重重技术难题，这个大科学设施的建设没有先例可循，国外经验又不对外分享，每个元器件的设计、制作，都需要我国研究员们自己琢磨；二是上海光源投入使用后的巨大科研成果产出，使用上海光源实验设施的用户用来自这里的实验数据发表研究论文超过1.1万篇，其中包括《科学》《自然》《细胞》国际顶刊论文220多篇，其中6项入选年度中国十大科技进展新闻，9项入选年度中国科学十大进展，5项入选国外重大科学进展或突破。

  “我们的许多核心光学元件国产化实现了零的突破。”中国科学院上海高等研究院副院长、上海光源线站工程副经理邰仁忠介绍，上海光源建设中攻克了百余项关键技术、核心器件和整机设备，推动了我国同步辐射技术的发展，为同步辐射装置建设提供了技术和人才储备。

  上海光源束线工程部光学组青年研究员何玉梅是光学组4人团队成员之一，他们的任务是实现高精度X射线反射镜的国产化。

  “我们的第一项突破，其实就是做一面要求很高的‘大镜子’出来。”何玉梅参与做的这面“大镜子”是国内首块1000mm长、超高精度的X射线平面反射镜，表面斜率误差小于0.2urad，粗糙度小于0.27纳米，已经用于上海光源二期光束线中。

  同步辐射建设中用到的这类“大镜子”一直以来只能从国外几家特定的厂商进口，价格动辄几十、上百万元。而在上海光源二期建设中要用到上百块这样的“镜子”。国外厂商经常无法按时交货，导致工程进度受影响。产品质量不达标需要返修时也困难重重，“当时我们检测出来认为精度不够、货不对版，对方不承认，要求再送去欧洲检测，一圈跑下来，他们总算承认有问题，但返修时间太长，我们又耗不起”。

  何玉梅告诉记者，做这样一面“镜子”，仅高精度检测一项，就能难倒很多人。但在二期建设阶段，何玉梅团队已经因为工作需要突破了检测难题，面对进口镜子遇到的各种问题，几个年轻人一商量，干脆自己做，“要知道，检测能到什么水平，加工上限就能到什么水平。我们既然能检测，为什么不能自己直接加工？”

  何玉梅和同事在“加工镜子”的过程中，又自己创新了一系列新方法。比如，传统的离子束抛光机把镜面向下进行“修整”，但这样的方法对长达1000mm的长条形镜子来说，镜子表面受重力影响可能会产生较大形变误差。为此，他们想出了“侧修”的办法。

  他们不断把计算出来的数据输入抛光机里，修一点、检测一点，6个月里尝试了几十种不同的参数设置，最终摸索出来4种不同的修镜子模型参数，实现前述超高精度X射线平面反射镜的要求。

  “侧修虽然精度可以提高，但在修的过程中会产生更多的溅射点，影响粗糙度指标。所以每次都只能动一点点，找到平衡。”何玉梅说，仅控制粗糙度不劣化这一项任务，团队就花了几个月时间打磨。目前这个0.27纳米的粗糙度，是从最开始的1纳米粗糙度级别上一点点降下来的。

  而在另一边，上海光源研究员邓彪团队则在为一个“体温计”发愁。这枚造型酷似老式水银体温计的玻璃，学名叫“X射线纳米CT椭球聚焦镜”，直接关系着X射线纳米CT能否正常运行。

  国外生产的X射线万元一套，此外每年还要支付10余万美元的运维费用，并且只有一家公司能做这个产品。价格垄断的同时，运维还要签“霸王条款”——更换椭球聚焦镜，厂家会带走旧件，而购买一个椭球聚焦镜价格约为12万美元。

  2016年开始，邓彪带着两名青年博士、1名硕士研究生研发“X射线纳米CT”，其中一个关键问题就是实现前述椭球聚焦镜的国产化。

  2016年至2018年期间，这个4人小组和合作团队、北师大孙天希教授团队一起拉了上千根毛细管。邓彪至今记得2017年第一次做X光测试时的场景，4人团队整整一周在实验室值班做测试，每天24小时在线。

  “那时上海光源已经对外开放了，只有7条线站。我们要做实验，就要和用户一起排队预约实验时间，一开机就不停地做，不能浪费资源。”邓彪记得，优质的实验数据都是在每天凌晨0点以后出来的，“环境越安静越好”。

  最终，该团队完成了上海光源线站工程中纳米三维成像线站的建设，研制了国内首套专用X射线纳米CT系统，实现高端光学仪器的国产替代。

  在一群“有志青年”的努力下，上海光源如今已建成34条束线个实验站，覆盖生命科学、材料科学、化工催化等多学科领域，成为国际上第三代中能同步辐射光源装置中线站数量最多、能区覆盖范围最广、实验方法丰富的重大科学技术基础设施。

  上海光源长相酷似一个巨大的鹦鹉螺，即便是“五一”“十一”这样的节假日，这里也坐满了前来“用光”的科研工作者。这里的光束线条，自主研制的单色器从原来的两种分光拓展至10种，其中6种分光的单色器为国内首套。

  中国科学院原副院长、张江综合性国家科学中心办公室常务副主任施尔畏至今还记得当年动议建造上海光源时的情形。“那是世纪之交，中国科学院的几位老院士、老专家动议要造第三代同步辐射光源，很多人觉得建了也不会有用户，建它干啥用。”施尔畏说，现在回看当年老专家们的动议，实际是在为中国未来的青年科学家“铺路”，“4月30日，‘五一’假期前的最后一天，我在上海光源食堂看到坐得满满的人，这些人大部分都是我们的用户，那些年轻的科学家们、研究生们”。

  上海光源副研究员、超导与低温研究方向专家丁祎就是负责让光源的光子能区变得更宽的年轻团队负责人。他和团队研发了国内首台短周期超导扭摆器。

  高性能的插入件（波荡器、扭摆磁铁）能大幅度提高同步辐射光的性能，是先进光源的重要标志，因此超导扭摆磁铁是插入件技术的重要发展方向之一。丁祎和记者说，人工能造出的磁场越强，能量范围就能越宽，超导扭摆器就是用来产生高磁场的。

  目前我国共有两台国产超导扭摆器。一台在北京，其峰值磁场强度为2.6T（即磁场度量单位“特斯拉”），另一台在上海光源，其峰值磁场强度为4.2T。

  “把磁场做高本身就是一大难题。”丁祎说，上海光源的这台扭摆器从设计到寻找材料、研制部件、集成设备，再到设备调试、实验验证，全程都由团队自行完成。为了4.2T这个指标，团队经历了数不清的“设计优化、集成、调试、实验、微调、再实验”过程，总共花了3年时间。

  “有一项指标，我们要完成0至500安培的电流加量，但很可能刚到499就宕机了。很受刺激。”丁祎说，负责这个扭摆器项目的就两个人，从画图纸到组装测试都是二人一点点“搓”出来的。而每次测试时间，都只能安排在暑假，“暑假用户少一些，我们大家可以排队去安装测试。如果这个暑假做不出，就得到下个暑假才能做”。最终，扭摆器的成功研制，为上海光源光子能量大幅拓展提供了可能。

  邰仁忠介绍，上海光源的光子能量大幅拓展至超硬X射线能区、低能伽马射线能区等，它正在帮助科学家们炒出一盘又一盘“创新菜”，“我们有能力让科学家针对不一样的观测对象去做不同的研究，尽可能多地为科学家们解决各式各样的实际问题”。