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大科学装置“双子星” 构建世界级创新集群

发布时间:2018/11/30 投资

今年以来,随着中国首台散裂中子源建成投用,被称为“国之重器”的大科学装置逐渐在东莞迎来“高光时刻”,海内外各方纷纷将目光投入到东莞腹地的这片群山之中。按照构想,东莞还将依托中国散裂中子源,在此地重点规划建设面积达53平方公里的中子科学城,其中就包括吸引更多大科学装置聚集。

日前,中科院高能所与东莞市在广州签署了《关于推进南方光源重大科技基础设施建设合作协议》,双方将共同推进南方光源项目规划建设,为粤港澳大湾区打造国际科技创新中心提供重要战略支撑。由此,继中国散裂中子源之后,东莞有望迎来另一重大科技基础设施落地,两大装置分工互补,构建起世界级科研创新平台集群。

与中子探测优势互补的“姐妹花”

南方光源项目,实际上是指其对应的同步辐射光源装置,与散裂中子源一样同为观测物质微观结构的大科学装置,二者都是多学科交叉,多手段验证,应用上具有互补性,但是功能又有所区别。

从探测物质微观结构的功能角度看,同步辐射光源与散裂中子源的作用范围存在许多相似之处,都被当做理想的“探针”,然而在业内人士看来,这两者之间更多是互补,并且在某些领域无法相互替代。两者建造在一起所产生的集聚效应更为突出,这已经被英国卢瑟福实验室等国外著名研究机构的成功经验所验证。

中国散裂中子源工程总指挥、中科院院士陈和生曾比喻道,同步辐射和中子散射好比现代微观物质探测中的一对“姐妹花”,各有优势,优势互补。同步辐射光从本质上说是一种高亮度的X射线,主要与原子外围的电子云发生相互作用,因此原子的外围电子越多,它就看得越清晰,探测较重的原子,如稀土元素、铂、金等,是它的强项,但若遇上外围电子稀少的轻元素,如氢、氦、碳等,同步辐射的探测效能就要打折扣。

而这恰恰是中子散射所擅长的。中子对氢原子很敏感,能够精确地测得分子结构中氢原子位置。同样,它对精确定位碳、氧也十分擅长,这些都是组成生命大分子的重要元素,对这些元素的精确定位,能让生命科学家更清晰、深入地认识生命的构成。

中科院高能物理研究所东莞分部副主任王生介绍道,由于中子不带电,穿透性强,可研究高温、高压、极低温、强磁场等极端条件下的物质特性,同时由于中子具有磁矩,在研究磁性材料方面具也有无可比拟的优势。而很多用户进行的研究项目,则需要同时用到两种研究手段。

有业内人士表示,两种技术手段相互补充,可以发挥“一加一大于二”的效果,借鉴英国卢瑟福国家实验室等成功经验,未来多种大科学装置的聚集,还将在吸引尖端人才、促进学术交流合作等方面发挥巨大的综合效应,显著提升地区的创新水平。

筹建第四代同步辐射光源

对于同步辐射光源应用的研究,最早可以追溯到20世纪70年代。彼时,发达国家逐步开展了同步辐射的应用研究,其卓越的性能为人们开展科学研究和应用研究带来了广阔的前景。与散裂中子源全球仅建成4台的稀少数量相比,目前全世界已建成的同步辐射光源装置数量已经超过50台,欧洲、美国、日本等地都有建设分布,并且不断有新的建设项目出现。

国内同步辐射光源建设起步于上世纪,目前主要分布在北京、上海、合肥及台湾新竹。其中,北京光源为第一代同步辐射光源,是基于高能物理实验专用的高能对撞机的兼用机;合肥国家同步辐射实验室为第二代同步辐射光源,是基于同步辐射专用储存环的专用机;第三代同步辐射光源是基于性能更高的同步辐射专用储存环的专用机,包括上海光源及位于台湾新竹的同步辐射装置。

同步辐射光源的建设,为我国在多个关键学科领域的研究突破提供了重要基础条件,以2009年5月投入使用的上海光源为例,首批7条光束线站支撑广大用户在众多学科领域开展研究,大幅提升了我国在蛋白质结构、材料结构与表征、催化、生物医学成像等方面的实验研究能力,取得了丰硕成果。上海光源的用户数量和成果产出都超过了国际同类装置建成同期的水平。

与此同时,国内新一代的同步辐射装置也在密集筹备当中。“十三五”期间,我国还将在北京建设一台高性能的高能同步辐射光源,其设计亮度及相干度均高于世界现有、在建或计划中的光源,被称为第四代同步辐射光源。

此外,同为第四代同步辐射光源的“合肥先进光源(HALS)”建设构想也已经提出,定位于国际上最先进的衍射极限储存环型VUV和软X射线光源,其束流发射度、光源亮度、稳定性和相干性等核心指标将处于国际领先地位,能够为新型功能材料、能源、环境、物质与生命科学交叉等领域研究提供强大的科研支撑能力。

“目前南方光源项目正在加紧进行前期的筹备工作,未来南方光源也将为第四代同步辐射光源,但是具体的性能参数还要在广泛征求用户需求的基础上确定。”王生表示,高能所东莞分部还将于12月召开第二次南方光源研讨会,对关键技术问题和用户需求进行研讨。主要光源指标确定后,将开始一些关键技术的预研。

大科学装置聚合形成创新合力

从国内外现有经验看,以大科学装置建设和集聚,带动综合性科技园区的成长,进而推动人才与智力资源的加速汇聚,推动本地区向更高层级的创新圈层迈进,是一条显著且可复制的规律。

例如即将建设的北京高能光源所在地怀柔科学城,就致力于打造成为世界级的重大科技基础设施集群。除“光源”外,怀柔科学城还已建成全球最大风洞实验室、世界上最大的高速列车模型试验平台等科技实验平台,并将聚集综合极端条件实验装置、地球系统数值模拟装置、子午工程二期等一大批科技基础设施,国内外顶尖科学家、世界一流大学和科研机构也将聚集于此,形成原始创新的高地。

而诞生了我国首个国家级实验室的合肥,目前也已经集聚起稳态强磁场、同步辐射、全超导托卡马克等多个大科学装置,是我国大科学装置最为集中的城市之一,大科学装置的建成,使合肥成为国内外尖端科研领域的“网红城市”,也吸引越来越多的尖端科研资源向此处集中。

当前,粤港澳大湾区、广深科技创新走廊等重大战略正加快推进,广东省对东莞明确提出了建成具有全球影响力的先进制造基地、国家级粤港澳台创新创业基地、华南科技成果转化中心三大定位。东莞市则依托散裂中子源等大科学装置,提出建设面积达53平方公里的中子科学城。

陈和生院士曾预言,“若干年后,在松山湖畔,偶遇世界级的科学家将不会是意外。”随着中国散裂中子源、南方光源、松山湖材料实验室等重大科研装置和平台的建设推进,这片过去隐藏在群山中的荔枝林,正在加速汇聚创新合力,形成一条孕育世界级创新成果的新链条。

松山湖材料实验室主任、中科院院士汪卫华就表示,多种大科学装置聚合,使材料实验室将来可以具备世界上领先的研究环境,从而有利于做出更多的新材料。在他看来,这里有望打造成像英国卢瑟福、美国橡树岭一样的国家实验室。

■科技知多D

  同步辐射光源:观测物质微观结构的“探照灯”

依据波长的不同,光可以分为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、真空紫外线、软X射线、硬X射线和伽马射线等,不同波段的光具有不同的特性,可以探索不同的领域,借助这一系列光可以对微观世界展开探索。人们在医院常见的CT拍片,就是应用了X射线的特性。

中国散裂中子源工程总指挥、中科院院士陈和生介绍,当电子以接近光速运动、轨道发生弯转时,会沿切线方向抛出电磁辐射,就像“转动的伞面上甩出的水珠”——这便是同步辐射光。

同步辐射光本质上与可见光一样,都是电磁波。1947年人类在电子同步加速器上首次观测到这种电磁波,因此称其为同步辐射,后来又称为同步辐射光,并称产生和利用同步辐射光的科学装置为同步辐射光源或装置。

同步辐射光具有诸多优点,例如宽波段、高准直、高纯净、高亮度、窄脉冲等,其中最突出的优点可以概括为“全且亮”,同步辐射光源是高强度光源,有很高的辐射功率和功率密度,第三代同步辐射光源的X射线亮度是X光机的上亿倍。此外,同步辐射光作为脉冲光,脉冲之间的间隔为几十纳秒至微秒量级,这种特性对“变化过程”的研究非常有用,如化学反应过程、生命过程、材料结构变化过程和环境污染微观过程等。

因此,同步辐射光源在基础科学研究和高技术产业开发应用研究中都有广泛的用途,涵盖了物理、化学化工、材料科学、能源、环境、考古、纳米、生命科学、医学等领域,并且在不断扩展。

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