◇HEPS是我國第一臺高能同步輻射光源，也將是世界上最亮的第四代同步輻射光源之一，成為國際領(lǐng)先的高能同步輻射光源實驗平臺
人類探索未知永不止步。當(dāng)我們對宇宙和生命的認(rèn)識越多，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)與變化的過程，就需要一個能力很強的裝置。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，它能幫助人類對物質(zhì)內(nèi)部進(jìn)行立體掃描。這是一個國家基礎(chǔ)科學(xué)研究不可或缺的手段。”中國科學(xué)院院士、中科院高能物理研究所所長王貽芳告訴《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（簡稱HEPS），于今年6月底安裝了首臺科研設(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動時沿切線方向發(fā)出的電磁輻射，也叫做同步光。這些小光束具有穿透性強、高亮度、高強度和能譜寬等特點，可以穿透物質(zhì)、深入內(nèi)部。當(dāng)光束照射在物質(zhì)上時，就會產(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)家通過探測到的這些反應(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)和運動規(guī)律，觀察微觀世界之中時空的流變。
HEPS是《國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃》確定優(yōu)先布局的10個建設(shè)項目之一，是我國第一臺高能同步輻射光源，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、亮度更強的小光束，成為國際領(lǐng)先的高能同步輻射光源實驗平臺。
顯微世界 希望之光
《瞭望》：HEPS要實現(xiàn)的功能是什么？
王貽芳：HEPS的外觀被設(shè)計成一個放大鏡的形狀，寓意“探索微觀世界的利器”。其中，周長近1.4公里的儲存環(huán)及實驗大廳，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、光束線和實驗站組成。
HEPS運行的首要目標(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)動機材料、工程材料的結(jié)構(gòu)分析、全壽命過程研究，探究材料性能和使用過程中失效的關(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)中的偏析問題和應(yīng)力問題。
同時，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)域為用戶提供更好的支撐平臺。例如揭示微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)生成演化的機制，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微米量級蛋白質(zhì)晶體的結(jié)構(gòu)，解釋重要蛋白的功能，推動新藥發(fā)明等等。
《瞭望》：從1984年國家立項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，是美國建設(shè)的電子對撞機輻射出來的光源，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)光源有用，其他國家也跟著這么做�？萍及l(fā)達(dá)的國家，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，世界各國都在加大對同步輻射設(shè)施建設(shè)的投入。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全世界已相繼建成50多臺同步輻射光源。
上世紀(jì)80年代末，依托于北京正負(fù)電子對撞機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，我國又相繼建成合肥光源、上海光源。這三代光源目前仍在運行，每一年都能服務(wù)幾百上千個課題組，對中國的科學(xué)技術(shù)發(fā)展起到了很重要的作用。
盡管我國已經(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說，我國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，很多與國家發(fā)展戰(zhàn)略相關(guān)的研究，我們不能期望依靠國外的同步輻射裝置來開展，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，能夠帶來巨大的社會和經(jīng)濟效益，這也推動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)了多項世界先進(jìn)技術(shù)，這些技術(shù)在我國進(jìn)一步發(fā)展和推廣，將直接帶動相關(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（簡稱HEPS）
HEPS國際領(lǐng)先
《瞭望》：相比于上海光源，HEPS有哪些先進(jìn)之處？
王貽芳：上海光源開放運行12年來，不僅支撐產(chǎn)出了大批學(xué)科前沿研究成果，而且在國家戰(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。光越亮意味著探測的精度越高，探測速度也越快。而且相比于低亮度時要準(zhǔn)備合適的靶材料樣品，高光通量對靶材料樣品本身要求不高。
建設(shè)HEPS，使得我國的同步輻射光源向高能區(qū)擴展，和我國現(xiàn)有的光源形成能區(qū)的互補，改善我國科技基礎(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，將處于怎樣的國際水平？
王貽芳：前三代同步輻射光源，我們比發(fā)達(dá)國家的技術(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)計思想是世界各國科學(xué)家討論出來的，是科學(xué)家思想的一個集合，一些國家會選擇將其落地建設(shè)。目前世界上已有3個“旗艦型”高能同步輻射光源裝置，分別在日本、美國、歐洲，它們都在升級改造，由第三代向第四代衍射極限環(huán)升級。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)時間晚于歐美，但HEPS是一個全新的裝置，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。因為只有足夠高的亮度，才能讓我們更清楚地了解材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如果光的亮度足夠高，就能幫助我們進(jìn)一步探測分析飛機發(fā)動機材料在工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)，研究材料內(nèi)部運動變化的過程，例如能夠看到材料中裂紋的生長發(fā)展過程，對整個過程了解了，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期穩(wěn)定可靠運行？目前來看是否有足夠的用戶？屆時產(chǎn)出成果水平如何？
王貽芳：按照計劃，HEPS將在2024年初步建成，經(jīng)過一年到一年半的測試后，會于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)等用戶全面開放。我們也歡迎國際用戶來使用HEPS。
目前來看用戶是潛在的，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)過去的經(jīng)驗看，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，適度超前布局國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。如何評價國內(nèi)的大科學(xué)裝置發(fā)展情況？未來發(fā)展路在何方？
王貽芳：我國大科學(xué)裝置的數(shù)量和種類已經(jīng)基本接近發(fā)達(dá)國家水平，但裝置的綜合性能與發(fā)達(dá)國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)科技強國的需求。
我國發(fā)展大科學(xué)裝置，第一，要從思想觀念上認(rèn)識到，建設(shè)科技強國必須要有大科學(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)濟社會發(fā)展和國家安全重大科技問題的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。
第二，國家對大科學(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的結(jié)合，不能面面俱到，要有重點突破。根據(jù)不同目標(biāo)，建設(shè)專用型、平臺型、社會服務(wù)型大科學(xué)裝置。整體考慮大科學(xué)裝置與實驗室“小”科學(xué)裝置的平衡布局。
第三，依據(jù)國內(nèi)的實際條件，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)和運行隊伍情況。
《瞭望》：近幾年，隨著國家對綜合性國家科學(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《國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃》等國家規(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)施每年的運行費大約是建設(shè)經(jīng)費的10%，還需要更大數(shù)量的科研經(jīng)費支持，以及大量的升級改造費用。
地方政府應(yīng)該提高思想認(rèn)識，將國家選定某個地方建設(shè)大科學(xué)裝置視為該地發(fā)展的機遇。大科學(xué)裝置建設(shè)運行會形成人才聚集效應(yīng)，吸引高科技企業(yè)集聚，推動當(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、國家支持以及科學(xué)家挑選出合適的項目，這些因素缺一不可。
目前，對大科學(xué)裝置的資金投入仍是個大問題，單純的國家財政投入不足。國內(nèi)基礎(chǔ)研究投入只占R&D經(jīng)費(研究和試驗發(fā)展經(jīng)費)的5%，而大科學(xué)裝置建設(shè)經(jīng)費又占基礎(chǔ)研究經(jīng)費投入的約5%。美國這兩個數(shù)據(jù)則分別是15%、10%。由此可見我們的大科學(xué)裝置建設(shè)經(jīng)費尚不如發(fā)達(dá)國家。
發(fā)達(dá)國家的科研經(jīng)費有相當(dāng)數(shù)量的社會捐贈、地方政府投入。中國的社會捐贈則主要用于高校教學(xué)樓建設(shè)、獎學(xué)金發(fā)放，用于科學(xué)研究的捐贈很少。
航經(jīng)過_03.jpg "中科攬勝")
