上海光源“鹦鹉螺”里国之重器

2019-05-08 11:04:00 张江高科技园 375

十年前,外形酷似鹦鹉螺的上海光源,出现在了张江的农田之间,自破土到出光仅用了三年时间,创下世界纪录。2009年5月6日,上海光源正式向用户开放,这一科学地标的崛起,使得中国以同类装置最少的投资和最快的建设速度,加入到世界第三代同步辐射光源装置的第一方阵。

同步辐射,是指真空环境中以接近光速运动的带电粒子在改变运动方向时释放出的电磁波(光),同步辐射光源因此被称作“高品质的巨型X光机”或“超级显微镜”,自1947年发现同步辐射光以来,这种亮度比普通X光高出万倍的神奇之光,成为科学家洞察微观世界未知奥秘的利器。

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在巨大的“鹦鹉螺”里,电子能量高达3.5G电子伏特的同步辐射光,从432米储存环中被一条条光束线站引出。十年来,上海光源已成为诸多学科领域前沿“领跑”和高技术发展不可或缺的实验平台——

能否长期稳定运行?

是否有足够的用户?

可否产出有影响力的成果?上海光源科学中心主任赵振堂坦言,这是上海光源自2009年5月6日正式对用户开放起,需要直面的三个挑战。

起初,上海光源被预估有300位用户,如今累计24684位的数据,使其成为我国用户最多的大科学装置。到2022年,上海光源年均接待用户人次有望增加一倍,超过1万人次。如今,上海光源每年开机约7000小时,其中实验供光约为5500小时,用户已发表期刊论文约5000篇,其中《科学》《自然》《细胞》三种国际顶级刊物的论文96篇。


上海光源支撑用户在前沿研究领域产生了一批有世界影响力的重大成果:其中一项成果被美国《科学》“十大科学突破”引用;一项成果入选欧洲《物理世界》十大突破;一项成果入选美国物理学会标志性进展;

一项成果入选美国《物理评论》125周年49篇精选论文;六项成果入选中国科学十大进展。

在爱因斯坦提出光量子概念100多年后,地处东方的上海光源不仅每个线站平均成果产出居世界第一,还在张江引领构筑了一个光子大科学设施集聚地,成为上海建设有全球影响力科创中心版图上浓墨重彩的一笔。

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把光作为探针,多领域大有作为

走进上海光源的实验大厅,眼前一片忙碌的景象。在生物大分子晶体学光束线站,来自上海睿智化学研究有限公司的研究人员正在收集蛋白质单晶体衍射数据。


这里的光束实验分辨率高,可以达到1.5—3埃(1埃等于0.1纳米),获取单张衍射图的时间只需0.1—1秒。这几年,我们利用上海光源已研发了几百个小分子药物结构。

研究人员刘敬贤说,公司以前去澳大利亚做实验,由于需携带液氮罐,花在路上的费用就要两三千美元。有了上海光源后,公司每个月都来做实验,成本节省不少。目前已有60家企业利用上海光源进行技术开发,涉及制药、能源、日化等,许多公司把利用上海光源开展研发,作为公司发展战略的一部分。诺华、罗氏、葛兰素史克、辉瑞等均利用上海光源获得的大量结构数据进行了新药研发。如今,大多聚集在张江地区的生物医药公司都已成为上海光源的用户,已有多个新药进入临床试验阶段,初步形成了制药企业科技服务产业集群。




在上海光源开放运行前,国内同步辐射装置解析的蛋白质晶体结构只有99个,上海光源开放运行十年后,这一数字达到了3775个。可以说,上海光源推动了我国结构生物学的跨越式发展,一经投入使用立即改变了我国结构生物学家以往主要依赖国外同步辐射光源开展前沿研究的局面。新近当选美国科学院外籍院士的颜宁,在2014年通过上海光源成功解析出了葡萄糖转运蛋白GLUT1晶体结构,这就有可能通过调控它实现葡萄糖转运的人工干预,既可以增加正常细胞内葡萄糖供应治疗相关疾病,又可以通过阻断对癌细胞的葡萄糖供应从而“饿死癌细胞”。


除了在生物医药界领域,上海光源在物理学界也有极大作用。一个通过理论推导和公式推算出的结论必须通过实验验证才能被承认。比如有关“幽灵粒子”外尔费米子的预言,在被预言后的80多年里一直没有得到实验验证,直到2015年中科院物理研究所丁洪研究员借助上海光源首次在TaAs晶体中发现了这类特殊的准粒子,这一发现对室温低能耗电子器件有重要价值,也可能用于量子计算机。


当埃博拉病毒疫情成为国际紧急卫生事件时,上海光源安排了“紧急机时”,我国科学家得以在第一时间投入到重大传染疾病研究中。中国疾控中心高福研究组,从分子水平阐释了一种新的病毒膜融合激发机制,成为近年来国际病毒学领域的一大突破。


把光作为探针,在许多领域大有可为。例如材质研究,紫金釉属于中国古代高温瓷器,其图案精美、质感晶莹,瓷釉独特的质感和色调源自于釉层特殊的过渡金属元素含量以及微观结构。上海光源—故宫博物院联合实验室发现,在故宫出土的乾隆时期紫金釉中布满了大粒径、高纯度的亚稳相ε-Fe2O3晶体,其大小及分布均匀、发育良好,且釉层呈现清晰的多层结构特征,该发现对中国古代陶瓷工艺技术寻踪及现代材料的制备具有重要意义。

先“自我加压”,再“自我找茬”

上海光源支撑用户高产出的背后,正是其始终对标国际一流、提升管理和服务水平的结果。运行伊始,上海光源就“自我加压”把开机率、两次故障平均间隔时间、平均故障修复时间作为“硬指标”。十年来,开机率一直保持在98%,平均故障修复时间也控制在了1小时以内。

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上海光源内部

在运行四年多后,上海光源又“自我找茬”先后组织了三次国际评审,对加速器、束线站以及正在建设的项目进行了评估,专家们高度肯定了上海光源的运行性能、用户开放及实验成果。为实现用户管理信息化,2012年,国内大科学装置类首个信息化网站“上海光源用户课题管理系统”上线运行,涵盖了用户注册、安全培训、课题申请执行等全流程。2015年,大科学装置类首个实验自助系统,则实现了用户实验登记、剂量计领取在1分钟内完成。


十年来,上海光源坚持不懈进行关键技术研发和实验方法学发展,从开始的7线7站10种左右的实验方法,到今天的15线19站百余种实验方法,提升了装置的性能水平和实验能力。如持续发展了相干衍射成像方法,将上海光源的空间分辨能力从30纳米提升到了8.5纳米;成功建立了动态显微CT实验方法,将显微结构演化的定量分析从二维推进到了三维。


十年来,上海光源造就了一支强竞争力的专业化队伍,不仅承担了多项国家重大科技基础设施的建设任务,而且承接了多项国际同类装置的研制任务,如我国出口能量最高的整机交钥匙加速器——巴西光源直线加速器的整机设计、建造及调试任务,韩国光源和日本超级B工厂对撞机的定时控制,韩国光源和加拿大光源的波荡器等。“二期”瞄准国家需求与世界科技前沿

“下一个十年,上海光源线站将进入基本饱和状态,新的生长点在哪里?国际上第四代同步辐射光源已经开启,如何不掉队?”赵振堂的话里透着“居安思危”的忧虑。

上海光源眼下正在进行后续工程建设,上海光源线站工程(上海光源二期工程)于2016年11月开工建设,其中X射线通用谱学线站已完成安装和通光,将于今年投入运行;另有多条用户投资线站在启动中。预计到2022年,上海光源将有约35条束线和60个实验站投入运行,届时,上海光源年接待用户能力将超过1万人次。


据介绍,上海光源二期工程将瞄准能源、环境、材料、凝聚态物理、地球科学、化学和生命科学等领域,以国家重大战略需求与世界科技前沿为导向,以解决前瞻性、关键科学技术问题为主要目标。“上海光源二期将使上海光源再一次腾飞,其综合实验能力将持续保持在第一梯队。”

上海光源,下一个十年值得期待。