作者:倪思洁 来源:中国科学报 发布时间:2024/5/15 18:41:53
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上海光源升级完毕,“鹦鹉螺”步入发展黄金期

 

5月8日一大早,中国科学院力学研究所副研究员蔡松林和同事一起,第一次走进了上海市浦东新区张衡路239号大院,大院里有上海的地标式建筑之一——外观如鹦鹉螺一般的上海光源。几天后,他们在这里完成了期待已久的实验。

就在准备离开前,他们碰巧成为一个重要事件的见证者:5月15日,国家重大科技基础设施项目——上海光源线站工程通过国家验收。国家验收委员会认为,上海光源的综合能力实现了跨越式提升,整体性能位居国际上第三代中能同步辐射光源的前列。

“上海光源线站工程项目画上了一个圆满的句号,上海光源步入了发展的黄金期。”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说。

蔡松林等科研人员已经成为“黄金期”较早的一批受益者。

外观如鹦鹉螺一般的上海光源。上海光源供图

建好一批开放一批,已提供约8万小时服务

由于上海光源线站工程采取“建好一批、开放一批”的模式,早在国家验收之前,工程新建的光束线和实验站就已投入使用。蔡松林等人用的是一台名为“快速X光成像线站”的实验站,最终目标是研究高强度钢缆受冲击的损伤过程。

作为一个已经开放运行了15年的大科学装置,上海光源里的用户管理已经比较成熟。5月8日到上海光源后,蔡松林和他的同事就在大门口的保卫室里登记了姓名,领了辐射剂量卡、用户卡。从那一刻开始,倒计时开始了。他们将在“鹦鹉螺”里,完成120小时的实验。而这120小时,是他们一个月前就已申请到的机时。

上海光源每个季度都会公开征集课题,课题通过用户专家委员会评审后,课题组就能获得相应机时。这一模式也已经延续了15年。

上海光源是我国大陆第一台第三代同步辐射光源,于2004年12月25日开工建设。15年前的2009年5月6日,首批线站正式对用户开放。2016年11月,上海光源线站工程开工,主要目标是解决国家战略需求和科学前沿中的重大科学问题,在上海光源已有的基础上进一步发展,建立先进、系统的同步辐射实验方法与综合研究手段,全面强化和拓展实验能力。

“上海光源刚建成之时仅有7条线站,相当于‘大马拉小车’,上海光源线站工程则把‘车厢’越做越大、越做越多,建设更多先进的光束线和实验站来满足国家科技发展需求。”邰仁忠说。

2023年7月,上海光源线站工程全部建成。上海光源里服务用户实验的光束线增加至34条,实验站增加至46个。它也成为目前国际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、实验方法非常丰富的装置。

邰仁忠介绍,上海光源线站工程试运行期间,新建线站已服务约8万小时,用户发表科学论文近500篇,并为35家国内领军企业提供定制化技术解决方案,支撑科技发展的效果初步显现。

据统计,从开放至今15年,上海光源共服务了全国34个省级行政区近800家单位、约4500多个研究团队的超47000名用户,支撑用户完成了2万多个实验课题,覆盖了生命科学、材料科学、凝聚态物理、化学、能源环境和医学等学科前沿和应用研究方面。

上海光源内部。上海光源供图

新建16条线站,各有各的“拿手绝活”

正所谓“工欲善其事,必先利其器”,蔡松林等人的120小时实验机时中,有不少时间要用在实验平台的调试上。

进入“鹦鹉螺”之后,蔡松林等人就争分夺秒地把从北京带来的、专门为做这项实验准备的原位实验平台,装到快速X光成像技术线站平台上。

去年底,他们与上海光源快速X光成像线站运行负责人李可团队联合,利用该线站探测钢缆的基本单元——钢丝在动态冲击下的损伤过程。

他们带来的原位实验平台中,一端有一根被竖直拉紧的细钢丝,另一端有一个缠着线圈、可以放“子弹”的通道。“子弹”可以在通道里加速到每小时300公里,然后打断钢丝。

等蔡松林把原位实验平台装好后,李可等人就根据原位实验平台的特点,调整X射线发出的位置和时间,确保“子弹”打断钢丝的瞬间能够被记录下来。

安装在快速X光成像线站平台上的原位实验平台。倪思洁摄

快速X光成像技术线站是上海光源线站工程新建的16条光束线站之一。“它是国际上首个在中能同步辐射装置里实现了X射线单脉冲成像能力的线站,可以实现百皮秒级单脉冲超快成像、微秒级成像连续动态成像,也能够拍摄毫秒级动态显微CT。”李可告诉《中国科学报》。

李可向记者介绍快速X光成像线站的实验过程。倪思洁摄

统观整个上海光源线站工程,新建成的16条线站各有各的“拿手绝活”。

上海光源副主任、上海光源线站工程分总体主任李爱国介绍,其中的一些是国际上率先建成的线站,如复杂体系动力学研究线站能实现同步辐射红外与硬X射线跨能区组合连用;一些是在国内率先建成的、具有国际一流水平的特色光束线站,如稀有元素分析线站可以提供非豁免级放射性样品实验安全防护;还有一些线站实现了关键性能指标的国际领先,如膜蛋白晶体学线站适用于亚微米蛋白质晶体分析。

改造升级,实现“一站式”服务

5月13日,李可、蔡松林等人完成了既定实验。第一次在这里做实验的蔡松林感慨,上海光源24小时运行,下一次他们要多来几位科研人员,“大家白班、晚班轮班倒,争取能多做些实验”。

“鹦鹉螺”的内部,有一台1.5亿电子伏的电子直线加速器、一台能在0.5秒内把电子束能量从1.5亿电子伏提升到35亿电子伏的全能量增强器、一台周长432米的35亿电子伏高性能电子储存环。

除了例行检修等情况,“鹦鹉螺”可以24小时不停地出光。为了进一步提升光源性能,工程团队还在上海光源线站工程中,将光源的光子能区从红外拓展到了15万电子伏超硬X射线与2000万电子伏低能伽玛射线能区,安装了13台插入件后,储存环轨道的稳定性还保持在好于0.5微米水平。此外,束团操控等能力也得到进一步提升。

“我们以前做实验从来没有这么快,也没有获得过这么精细的图像。”蔡松林感慨,“如果能把设备潜能挖掘出来,我国科技能力或将实现质的飞跃。”

实验完成后,蔡松林等人就进入了数据分析阶段,他们的实验数据就保存在线站旁边的电脑里,那里直接连着上海光源线站工程建设的用户数据中心。

“作为实验辅助系统的一部分,用户数据中心具备了海量数据存储与分析能力,中心储存能力达到23拍字节(PB),边缘储存能力为1.5PB,全装置的每一条线站都能够与用户数据中心连接,可以完成实现数据的理论分析与计算,以及在线数据分析处理。”邰仁忠说。

他介绍,在过去的几年里,上海光源已经逐渐建立起近百种同步辐射实验方法体系。

此外,为了给用户提供“一站式”服务,上海光源线站工程还在“鹦鹉螺”外建设了材料样品准备实验室、化学与环境科学辅助实验室、原位条件辅助实验室、生物与医学辅助实验室、材料样品准备实验室等实验辅助系统。

上海光源中控室。上海光源供图

5月15日,就在上海光源线站工程完成国家验收的这天,蔡松林等人收拾好行囊、带着实验数据,归还辐射剂量卡和用户卡。接下来,他们要把这些数据带回北京,做更深入的分析。

蔡松林告诉《中国科学报》,再过两个月,他们又将回到这里。他们申请的另一个课题也通过遴选并获得机时,接下来,他们要在另一台线站上用新的实验方法对钢丝拧成股绳后的动态冲击损伤过程进行研究。而再往后,他们将根据钢丝、钢绳的实验数据,计算出钢缆的冲击损伤过程,为国家关键领域的钢缆研发、应用提供理论支撑。

李爱国介绍,目前,上海光源已经成为我国目前服务用户最多、成果产出率最高的大科学装置,“老”线站在满负荷运行,“新”线站的机时申请也在逐渐增加。

“未来上海光源团队将充分发挥已建成线站的先进实验能力,支持国家重大科技攻关。同时,我们也在积极谋划未来,并有了一些初步的想法,亟待进行更深入的研究。”邰仁忠说。

和蔡松林等人一样,越来越多的科学家也将带着研究问题走进“鹦鹉螺”,再带着实验数据和答案走出“鹦鹉螺”,走向国家最需要和科学最前沿的地方。

 
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