◇HEPS是我國(guó)第一臺(tái)高能同步輻射光源，也將是世界上最亮的第四代同步輻射光源之一，成為國(guó)際領(lǐng)先的高能同步輻射光源實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
人類探索未知永不止步。當(dāng)我們對(duì)宇宙和生命的認(rèn)識(shí)越多，我們就越需要先進(jìn)的工具。
“科研人員要研究材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)與變化的過(guò)程，就需要一個(gè)能力很強(qiáng)的裝置。高能同步輻射光源就是研究物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的平臺(tái)，它能幫助人類對(duì)物質(zhì)內(nèi)部進(jìn)行立體掃描。這是一個(gè)國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)研究不可或缺的手段�！敝袊�(guó)科學(xué)院院士、中科院高能物理研究所所長(zhǎng)王貽芳告訴《瞭望》新聞周刊記者。由中科院高能物理研究所承擔(dān)建設(shè)的高能同步輻射光源（簡(jiǎn)稱HEPS），于今年6月底安裝了首臺(tái)科研設(shè)備，標(biāo)志著HEPS工程正式進(jìn)入設(shè)備安裝階段。
同步輻射是指速度接近光速的帶電粒子在做曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)沿切線方向發(fā)出的電磁輻射，也叫做同步光。這些小光束具有穿透性強(qiáng)、高亮度、高強(qiáng)度和能譜寬等特點(diǎn)，可以穿透物質(zhì)、深入內(nèi)部。當(dāng)光束照射在物質(zhì)上時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生許多不同的效應(yīng)，比如光電子發(fā)射、離子或中性原子脫離、吸收、散射等現(xiàn)象。這些效應(yīng)與物質(zhì)本身的物理或化學(xué)特性密切相關(guān)。因此，科學(xué)家通過(guò)探測(cè)到的這些反應(yīng)就能研究在分子、原子尺度上各種物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，觀察微觀世界之中時(shí)空的流變。
HEPS是《國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃》確定優(yōu)先布局的10個(gè)建設(shè)項(xiàng)目之一，是我國(guó)第一臺(tái)高能同步輻射光源，也將是世界上最亮的第四代同步輻射光源之一，它能產(chǎn)生能量更高、亮度更強(qiáng)的小光束，成為國(guó)際領(lǐng)先的高能同步輻射光源實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
顯微世界 希望之光
《瞭望》：HEPS要實(shí)現(xiàn)的功能是什么？
王貽芳：HEPS的外觀被設(shè)計(jì)成一個(gè)放大鏡的形狀，寓意“探索微觀世界的利器”。其中，周長(zhǎng)近1.4公里的儲(chǔ)存環(huán)及實(shí)驗(yàn)大廳，猶如放大鏡的鏡框，是放置大型科學(xué)儀器的地方。HEPS主要由加速器、光束線和實(shí)驗(yàn)站組成。
HEPS運(yùn)行的首要目標(biāo)是提供高能、高亮度的硬X射線。依靠這種高性能的X射線能夠滿足與國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略和工業(yè)核心需求相關(guān)研究的迫切需求。如航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料、工程材料的結(jié)構(gòu)分析、全壽命過(guò)程研究，探究材料性能和使用過(guò)程中失效的關(guān)鍵因素；解決高溫合金材料的制造、加工、服役和修復(fù)等環(huán)節(jié)中的偏析問(wèn)題和應(yīng)力問(wèn)題。
同時(shí)，HEPS也能在其他能區(qū)提供亮度更高的X射線，在基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域?yàn)橛脩籼峁└玫闹纹脚_(tái)。例如揭示微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)生成演化的機(jī)制，剖析微觀物質(zhì)構(gòu)成，為物質(zhì)調(diào)控提供基礎(chǔ)支撐；解析1微米量級(jí)蛋白質(zhì)晶體的結(jié)構(gòu)，解釋重要蛋白的功能，推動(dòng)新藥發(fā)明等等。
《瞭望》：從1984年國(guó)家立項(xiàng)第一代北京同步輻射裝置，到第二代合肥光源，再到第三代上海光源，以及第四代的高能同步輻射光源，為什么國(guó)家要持續(xù)發(fā)展同步輻射光源？
王貽芳：這是科學(xué)發(fā)展自然的進(jìn)程、步伐。世界上的第一代光源，是美國(guó)建設(shè)的電子對(duì)撞機(jī)輻射出來(lái)的光源，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)光源有用，其他國(guó)家也跟著這么做。科技發(fā)達(dá)的國(guó)家，都是一代一代地做同步輻射光源。
迄今為止，世界上約70%的已知生物大分子結(jié)構(gòu)：蛋白質(zhì)、DNA、RNA、核糖體、病毒等，都是借助同步輻射光了解的，同步輻射裝置為各學(xué)科的前沿研究提供了重要支撐。近年來(lái)，世界各國(guó)都在加大對(duì)同步輻射設(shè)施建設(shè)的投入。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全世界已相繼建成50多臺(tái)同步輻射光源。
上世紀(jì)80年代末，依托于北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的第一代同步輻射光源——北京同步輻射裝置建成并投入使用。此后，為了獲得更高的性能，我國(guó)又相繼建成合肥光源、上海光源。這三代光源目前仍在運(yùn)行，每一年都能服務(wù)幾百上千個(gè)課題組，對(duì)中國(guó)的科學(xué)技術(shù)發(fā)展起到了很重要的作用。
盡管我國(guó)已經(jīng)擁有三代同步輻射光源，但它們均處于低、中能量區(qū)，從亮度能譜的分布來(lái)說(shuō)，我國(guó)還缺乏高亮度的高能光源。要看清物質(zhì)內(nèi)部的細(xì)節(jié)，很重要的一點(diǎn)就是要有足夠的亮度，所以我們要繼續(xù)發(fā)展第四代高能同步輻射光源。
從另外的角度說(shuō)，很多與國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略相關(guān)的研究，我們不能期望依靠國(guó)外的同步輻射裝置來(lái)開(kāi)展，只能建設(shè)我們自己的同步輻射裝置。
此外，建設(shè)大科學(xué)裝置的溢出效應(yīng)非常強(qiáng)，能夠帶來(lái)巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，這也推動(dòng)了同步輻射光源的建設(shè)。例如HEPS的建設(shè)，研發(fā)和引進(jìn)了多項(xiàng)世界先進(jìn)技術(shù)，這些技術(shù)在我國(guó)進(jìn)一步發(fā)展和推廣，將直接帶動(dòng)相關(guān)高科技研究和工業(yè)的發(fā)展，提升眾多相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。
▲ 高能同步輻射光源（簡(jiǎn)稱HEPS）
HEPS國(guó)際領(lǐng)先
《瞭望》：相比于上海光源，HEPS有哪些先進(jìn)之處？
王貽芳：上海光源開(kāi)放運(yùn)行12年來(lái)，不僅支撐產(chǎn)出了大批學(xué)科前沿研究成果，而且在國(guó)家戰(zhàn)略需求與重大應(yīng)用方面發(fā)揮著重要作用。
相比第三代光源，HEPS的亮度要高出100倍以上。這就像我們打開(kāi)手電筒看東西，手電筒越亮，就能看得越清楚。光越亮意味著探測(cè)的精度越高，探測(cè)速度也越快。而且相比于低亮度時(shí)要準(zhǔn)備合適的靶材料樣品，高光通量對(duì)靶材料樣品本身要求不高。
建設(shè)HEPS，使得我國(guó)的同步輻射光源向高能區(qū)擴(kuò)展，和我國(guó)現(xiàn)有的光源形成能區(qū)的互補(bǔ)，改善我國(guó)科技基礎(chǔ)設(shè)施的水平，提升基礎(chǔ)科學(xué)和高技術(shù)領(lǐng)域的原始創(chuàng)新能力。
《瞭望》：HEPS建成后，將處于怎樣的國(guó)際水平？
王貽芳：前三代同步輻射光源，我們比發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)水平大概差十年。在世界上第四代同步輻射光源中，HEPS技術(shù)指標(biāo)超前。
當(dāng)前，同步輻射光源正經(jīng)歷由第三代向第四代的跨越。第四代同步輻射光源的設(shè)計(jì)思想是世界各國(guó)科學(xué)家討論出來(lái)的，是科學(xué)家思想的一個(gè)集合，一些國(guó)家會(huì)選擇將其落地建設(shè)。目前世界上已有3個(gè)“旗艦型”高能同步輻射光源裝置，分別在日本、美國(guó)、歐洲，它們都在升級(jí)改造，由第三代向第四代衍射極限環(huán)升級(jí)。但他們是在上一代基礎(chǔ)上的更新改進(jìn)方案，因此一些技術(shù)指標(biāo)受限。雖然HEPS的建設(shè)時(shí)間晚于歐美，但HEPS是一個(gè)全新的裝置，主要性能指標(biāo)位居世界前列，具有世界最高光譜亮度，高于世界上現(xiàn)有和正在或即將建設(shè)的光源，發(fā)射度指標(biāo)比歐美日的指標(biāo)高一倍，并且還有進(jìn)一步提高的空間。
高亮度是大家共同的追求。因?yàn)橹挥凶銐蚋叩牧炼龋拍茏屛覀兏宄亓私獠牧系膬?nèi)部結(jié)構(gòu)。如果光的亮度足夠高，就能幫助我們進(jìn)一步探測(cè)分析飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)材料在工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)，研究材料內(nèi)部運(yùn)動(dòng)變化的過(guò)程，例如能夠看到材料中裂紋的生長(zhǎng)發(fā)展過(guò)程，對(duì)整個(gè)過(guò)程了解了，我們就可以知道怎么避免產(chǎn)生裂紋。
《瞭望》：這一裝置建成后多久可長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠運(yùn)行？目前來(lái)看是否有足夠的用戶？屆時(shí)產(chǎn)出成果水平如何？
王貽芳：按照計(jì)劃，HEPS將在2024年初步建成，經(jīng)過(guò)一年到一年半的測(cè)試后，會(huì)于2025年底投入使用。首期建設(shè)的14條公共光束線站，將向工程材料、能源環(huán)境、化學(xué)、地質(zhì)等領(lǐng)域的高校、科研院所，以及航空航天領(lǐng)域的企業(yè)等用戶全面開(kāi)放。我們也歡迎國(guó)際用戶來(lái)使用HEPS。
目前來(lái)看用戶是潛在的，所有的大裝置建設(shè)都要比用戶需求打出一定的提前量。不可能有一堆用戶在等著大科學(xué)裝置建成，都是先有裝置再有用戶。有了高端裝置，自然激發(fā)出高端用戶，用戶會(huì)思考如何使用這一前所未有的高端裝置做工作。大科學(xué)裝置是跟用戶相互激發(fā)、共同發(fā)展的。
根據(jù)過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)看，用戶遠(yuǎn)比我們想象的需求多，他們想出我們很多想象不到的用途，產(chǎn)出一大批先進(jìn)研究成果。
以大科學(xué)裝置突破科學(xué)前沿
《瞭望》：“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要提出，適度超前布局國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。如何評(píng)價(jià)國(guó)內(nèi)的大科學(xué)裝置發(fā)展情況？未來(lái)發(fā)展路在何方？
王貽芳：我國(guó)大科學(xué)裝置的數(shù)量和種類已經(jīng)基本接近發(fā)達(dá)國(guó)家水平，但裝置的綜合性能與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有一定差距。特別是科學(xué)產(chǎn)出差距更為突出，重大科技創(chuàng)新成果較少，還不能滿足建設(shè)科技強(qiáng)國(guó)的需求。
我國(guó)發(fā)展大科學(xué)裝置，第一，要從思想觀念上認(rèn)識(shí)到，建設(shè)科技強(qiáng)國(guó)必須要有大科學(xué)裝置。大科學(xué)裝置是為探索未知世界、發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律、實(shí)現(xiàn)技術(shù)變革提供極限研究手段的大型復(fù)雜科學(xué)研究系統(tǒng)，是突破科學(xué)前沿、解決經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國(guó)家安全重大科技問(wèn)題的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。
第二，國(guó)家對(duì)大科學(xué)裝置建設(shè)要有全面思考、系統(tǒng)規(guī)劃。
我們要建設(shè)在關(guān)鍵領(lǐng)域引領(lǐng)國(guó)際水平的大科學(xué)裝置，而不是低水平重復(fù)建設(shè)別人的已有裝置。要考慮面上和重大突破點(diǎn)的結(jié)合，不能面面俱到，要有重點(diǎn)突破。根據(jù)不同目標(biāo)，建設(shè)專用型、平臺(tái)型、社會(huì)服務(wù)型大科學(xué)裝置。整體考慮大科學(xué)裝置與實(shí)驗(yàn)室“小”科學(xué)裝置的平衡布局。
第三，依據(jù)國(guó)內(nèi)的實(shí)際條件，充分考慮大科學(xué)裝置的可行性。建設(shè)某一領(lǐng)域的大科學(xué)裝置，要適應(yīng)現(xiàn)有的研究條件，有足夠的研究力量，綜合考慮建設(shè)和運(yùn)行隊(duì)伍情況。
《瞭望》：近幾年，隨著國(guó)家對(duì)綜合性國(guó)家科學(xué)中心建設(shè)和大科學(xué)裝置建設(shè)的重視程度日益提高，地方政府應(yīng)如何在其中發(fā)揮作用？
王貽芳：地方政府不一定要主導(dǎo)大科學(xué)裝置建設(shè)，而是要配合《國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃》等國(guó)家規(guī)劃，提供配套。HEPS共投資近48億元，中科院高能物理研究所是HEPS的法人單位，北京市政府提供了土地供給以及20%配套資金的支持。
目前一些地方政府希望主導(dǎo)大科學(xué)裝置建設(shè)，而不是配合國(guó)家規(guī)劃提供配套資金。但地方政府不一定有能力判斷處于國(guó)際前沿的基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域，如果紛紛建設(shè)大科學(xué)裝置很容易造成重復(fù)投資。而且大型科技基礎(chǔ)設(shè)施每年的運(yùn)行費(fèi)大約是建設(shè)經(jīng)費(fèi)的10%，還需要更大數(shù)量的科研經(jīng)費(fèi)支持，以及大量的升級(jí)改造費(fèi)用。
地方政府應(yīng)該提高思想認(rèn)識(shí)，將國(guó)家選定某個(gè)地方建設(shè)大科學(xué)裝置視為該地發(fā)展的機(jī)遇。大科學(xué)裝置建設(shè)運(yùn)行會(huì)形成人才聚集效應(yīng)，吸引高科技企業(yè)集聚，推動(dòng)當(dāng)?shù)仄髽I(yè)和科研院所發(fā)展。所以地方政府該做的，應(yīng)該是提供配套建設(shè)資金以及提供其他支持，而不一定是自己上馬大科學(xué)裝置。
《瞭望》：你認(rèn)為更好發(fā)展大科學(xué)裝置還需要獲得哪些方面的支持？
王貽芳：發(fā)展大科學(xué)裝置需要完善的頂層規(guī)劃、國(guó)家支持以及科學(xué)家挑選出合適的項(xiàng)目，這些因素缺一不可。
目前，對(duì)大科學(xué)裝置的資金投入仍是個(gè)大問(wèn)題，單純的國(guó)家財(cái)政投入不足。國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)研究投入只占R&D經(jīng)費(fèi)(研究和試驗(yàn)發(fā)展經(jīng)費(fèi))的5%，而大科學(xué)裝置建設(shè)經(jīng)費(fèi)又占基礎(chǔ)研究經(jīng)費(fèi)投入的約5%。美國(guó)這兩個(gè)數(shù)據(jù)則分別是15%、10%。由此可見(jiàn)我們的大科學(xué)裝置建設(shè)經(jīng)費(fèi)尚不如發(fā)達(dá)國(guó)家。
發(fā)達(dá)國(guó)家的科研經(jīng)費(fèi)有相當(dāng)數(shù)量的社會(huì)捐贈(zèng)、地方政府投入。中國(guó)的社會(huì)捐贈(zèng)則主要用于高校教學(xué)樓建設(shè)、獎(jiǎng)學(xué)金發(fā)放，用于科學(xué)研究的捐贈(zèng)很少。
航經(jīng)過(guò)_03.jpg "中科攬勝")
