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阅读上海100胜 2 | 螺鸣张江 无限风光尽在科创

  视频:螺鸣张江:无限风光在科创 蔡黄浩摄制

  上海光源,目前世界上性能最好的第三代中能同步辐射光源之一,由中国科学院和上海市人民政府共同建议和建设,位于上海市浦东新区张衡路239号,整体结构仿佛鹦鹉螺。它是落户上海的第一个国家大科学装置,与国家蛋白质科学研究(上海)设施、上海超强超短激光实验装置等,形成大科学装置的张江集群。

  以科创为坐标轴,阅读上海,一定不能错过张江的鹦鹉螺。大名“上海光源”,全称“上海同步辐射光源”。

  张江,浦东新区的腹地,上海科创的心脏。同很多快速发展的地区一样,数十年前这里还是田野与集镇;再往前追根溯源,它曾是古时戍卒屯垦的海防边疆。老上海兴许还叫得出荸荠、红菱、雪里蕻咸菜这“张江三宝”,晓得“钱万隆”酱园的发源地就在这里。对更多年轻人而言,张江已完完全全是科技创新的代名词。

图说:上海光源外景。刘歆 摄

  鹦鹉螺,被称作海洋“活化石”的软体动物,数亿年前便已存在于地球这蓝色星球上。世界上第一艘核潜艇取名“鹦鹉螺号”,第一个成功击落火箭的激光武器也以“鹦鹉螺”命名……2009年,大科学装置界也诞生了一座享誉国际的鹦鹉螺,它的名字叫上海光源。

  上海光源,是张江最壮观的建筑,也是张江国家综合性科学中心的首个“代表人物”,目前还在积极“长个儿”——建设二期扩容工程。加上全球生命科学领域首家综合性大科学装置——国家蛋白质科学研究(上海)设施、有望于今年在国际上率先实现10拍瓦激光输出的上海超强超短激光实验装置、也已“情定”张江的X射线自由电子激光装置等“国宝邻居”,全球规模最大、种类最全、综合能力最强的光子大科学装置集聚地之一,将在这里崛起。螺鸣张江,迷人的不仅仅是酷炫美丽的建筑外形,更是浩瀚科学的无穷魅力,还有科创上海的前沿气质。

  奇妙风景线

  坐在飞驰的磁悬浮列车上,有那么几秒钟,乘客是可以透过车窗瞥见上海光源的“螺心”的。通过公众科学日等科普活动,老百姓也是有机会走进鹦鹉螺,一探同步辐射光源到底是干什么的。它,是上海的骄傲。

  当然,上海光源里常来常往的,是科学家。在1米多厚钢筋混凝土筑成、周长432米的全封闭隧道内,无数电子束以接近光速的速度在磁场中作曲线运动,每每“拐弯”,就会沿切线方向产生电磁辐射,迸发强大光束,这便是上海光源的奇妙风景线——仿佛一台“高大上”的超级显微镜,却又拥有与老百姓息息相关的民生用途。

  0.3纳米,这是上海光源成像线站的静态分辨率,简直比头发丝直径的万分之一还要小。花草树木的呼吸吐纳,人体内蛋白质分子的皮秒级“写真”,故宫国宝千年前的制作技艺……上海光源“眼福”不浅。埃博拉病毒入侵机制的全新发现,史上首次在琥珀中找到的亿年古鸟标本,藏了80余年的“幽灵粒子”外尔费米子……上海光源“视界”非凡。

  “标配”奇迹

  八年前,英国《自然》杂志曾撰文报道上海光源的建成,题为《中国加入世界级同步辐射俱乐部》。事实上,上海光源的开机率、全球顶级期刊论文数等指标,几乎完胜日本、英国、法国等同处国际前列的第三代同步辐射装置。截至2016年底,已执行通过专家评审的课题申请8638个,累计为用户提供实验机时超过22.9万小时“上海光源是目前世界上性能最好的中能第三代同步辐射光源之一。”没有哪位科学家用户会对发生在这里的奇迹感到意外。

  奇迹,在光源,在张江,在上海,素来都是“标配”。这座鹦鹉螺建筑本身便是一个又一个奇迹的结晶。“以世界同类装置最少的投资和最快的建设速度,建成为国际上性能指标领先的第三代同步辐射光源之一,是我国大科学装置建设的一个成功范例。”

  8片异形双向弯曲的巨大旋转花瓣,2100根48米深的混凝土桩基,鹦鹉螺便是这样拔地而起的。“造螺”之艰辛可想而知,仅举一例:微米级地基振动。上海光源需要极其稳固的地基,否则便会“骚扰”到建筑内精密仪器的工作。具体而言,在一块直径超过200米的圆形地基上安装加速器和光束线实验站,要求地基的最大振动幅度不超过1微米。基于如此苛刻的要求,世界上多个同步辐射装置被“逼”上了山。相比山石基础,上海光源所在地的地质就好比果冻。然而,经过精密的计算、设计、监测和施工,最终,上海光源底板的最大振动量仅0.25微米左右。

  惊喜不断

  鹦鹉螺的故事,不仅还没讲完,而且刚刚开篇。就在这片土地上,上海光源的二期扩容工程和X射线自由电子激光装置都在建设进行时,前者仍属于第三代光源,后者已进入第四代光源。

  谁也不曾料想,鹦鹉螺当年预留的另一半空间这么快就要派上用场了,上海光源的机时这么快就供不应求了,甚至第三代光源这么快就有不够用的时候了。按计划,上海光源二期要再添16条光束线站。待其2020年全部竣工开放时,上海光源的光束线站总数将近40条,科学实验能力和实验方法由二十几种增至100多种,照亮更多科学前沿。

  而紧挨着鹦鹉螺建造的X射线自由电子激光装置,体形狭长——“电子枪”射出的电子束在近300米长的加速器隧道里大步流星,最终产生自由电子激光。其峰值亮度比上海光源还要高10的9-10次方,成像时间的计量单位则已经到了飞秒(1秒的1000万亿分之一)。在纳米级微观世界里,如果说第三代同步辐射光源是“拍照”的话,那么第四代自由电子激光装置就是“拍电影”了。X射线自由电子激光试验装置去年底已出光,现正在调束。目前最大的惊喜在于,这个夏天的哪一天,X射线自由电子激光试验装置的出光就将达到理想状态。

  1+1+1……>n

  再往南,海科路上还有不少与鹦鹉螺志同道合的邻居小伙伴。其中,最亲近的当属国家蛋白质科学研究(上海)设施(简称“上海设施”),两家甚至还颇有几分亲缘关系。上海设施的主体建筑在海科路上,而专用于蛋白质结构分析的“五线六站”就造在上海光源内。还差半个多月,上海设施就要满两岁了,截至2016年底,为用户提供有效机时227586小时,执行课题1864个。作为所有生命形式与生命活动的主要物质基础和功能执行者,蛋白质在这里备受礼遇,更全的科研手段、更高的研究效能尽在此地。

  如果说同步辐射光照亮的学科之多,应用领域之广,是其他人造光源无法企及的,那么超强超短激光则是已知的最高光强光源,为人类提供了前所未有的极端物理条件与全新实验手段。依然是海科路上,上海超强超短激光实验装置的土建已开工,预研工作也已取得重要阶段性进展,不仅已成功实现5拍瓦激光脉冲输出,达到当前国际同类研究的领先水平,而且有望于年内成为世界上首台实现10拍瓦激光输出的超强超短激光装置。把地球接收到的太阳总辐射能量聚焦到头发丝粗细的尺度,才能达到1拍瓦的激光脉冲聚焦后的强度。治疗癌症,人工降雪,甚至产生反物质,超强超短激光也是个深藏不露的高人。

  强手“邻”立,这是要干大事的节奏啊!1999年7月,上海光源定址张江高科技园区。一个月后,上海市委、市政府颁布“聚焦张江”的战略决策。根据国际上的先进经验,包括欧洲核子中心在内的大科学装置都有两种以上的光子设施,以满足不同研究需求,产生新的研究手段。螺鸣张江,打造世界前沿的光子科学中心,对张江而言可谓水到渠成!

  鹦鹉螺的故事,未完待续。

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