核心提示

　　十九世紀(jì)末，愛(ài)迪生發(fā)明電燈，用電光為人類點(diǎn)亮黑夜。 1895年，倫琴發(fā)現(xiàn)了幾乎可以穿透一切的x射線，推動(dòng)了基礎(chǔ)學(xué)科的革命。二十世紀(jì)60年代，梅曼發(fā)明了高度平行和高度集中的激光，在光的世界里第三次給我們帶來(lái)了驚喜。近年來(lái)，又一個(gè)新發(fā)現(xiàn)的光源同步輻射光走進(jìn)科學(xué)家的視野，并開(kāi)始融入人們的生活。它究竟是一種什么樣的光？因?yàn)樗某霈F(xiàn)我們的生活將會(huì)發(fā)生哪些改變？我國(guó)同步輻射光發(fā)展水平如何？記者就此采訪了專家。

　　被“甩”出來(lái)的強(qiáng)光

　　遼寧日?qǐng)?bào)：人類文明的發(fā)展與光的利用相生相伴。步入現(xiàn)代社會(huì)后，科技發(fā)展迅猛，人們對(duì)光的探索和利用也更加深入。裴教授，您能為我們簡(jiǎn)要介紹一下人造光源都經(jīng)歷了哪些發(fā)展歷程嗎？

　　裴元吉：人類對(duì)光的探索經(jīng)歷了電光、x光、激光、同步輻射光等幾次劃時(shí)代的大跨越。十九世紀(jì)末，愛(ài)迪生給人類帶來(lái)了新光明，他發(fā)明的電燈驅(qū)散了黑暗，將世界點(diǎn)亮。1895年，德國(guó)科學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了x射線，這是人造光源史上的又一個(gè)大事件。在近100年的時(shí)間里，這種能夠穿透一切（除了鉛板）的射線大大推動(dòng)了物理、化學(xué)和生物等基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展。二十世紀(jì)60年代，美國(guó)科學(xué)家梅曼發(fā)明了激光。激光束高度平行和高度集中，能夠使單位面積上照射的光強(qiáng)增強(qiáng)幾百倍或幾千倍。科學(xué)發(fā)現(xiàn)是無(wú)止境的，繼激光之后，人們又再一次發(fā)現(xiàn)了具有劃時(shí)代意義、比激光優(yōu)點(diǎn)更多的同步輻射光。

　　遼寧日?qǐng)?bào)：同步輻射光是如何形成的呢？

　　裴元吉：在二十世紀(jì)40年代，為揭開(kāi)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的奧秘，人們先后建造了一批粒子加速實(shí)驗(yàn)設(shè)備，電子同步加速器就是其中的一種。在電子同步加速器中，一團(tuán)團(tuán)高能電子束團(tuán)先被加速到接近光速的速度，再通過(guò)強(qiáng)大的磁場(chǎng)來(lái)控制其方向，使之沿著環(huán)形真空軌道 “跑圈”。電子束團(tuán)在“跑圈”通過(guò)彎道時(shí)，會(huì)有電磁波沿切線方向被“甩”出來(lái)，形成我們所說(shuō)的同步輻射。

　　業(yè)內(nèi)對(duì)同步輻射光的產(chǎn)生曾有一個(gè)非常形象的比喻：如果將一塊吸飽了水的海綿用繩子拴住，并把它掄起來(lái)甩成圓圈，則海綿中的水會(huì)沿著圓周切線的方向飛出去。同步輻射產(chǎn)生的電磁波就好像是從繞圈的電子中被“甩”出來(lái)的能量。

　　說(shuō)起來(lái)十分具有戲劇性，最初同步輻射并不受高能物理學(xué)家歡迎，因?yàn)樗鼡p耗加速器能量和損害加速器部件，所以被科學(xué)家看作一種需要消除的副作用。后來(lái)，人們才了解到同步輻射光是不可多得的好東西。

　　遼寧日?qǐng)?bào)：是什么讓科學(xué)家回心轉(zhuǎn)意的呢？

　　裴元吉：同步輻射光有很多其他光無(wú)法企及的優(yōu)點(diǎn)。我覺(jué)得最重要的優(yōu)點(diǎn)首推它亮度極高 （其亮度比x射線要高100萬(wàn)倍）。用x光機(jī)拍攝晶體的原子排列缺陷照片,一般需要一兩周的感光時(shí)間，而同樣的工作換成同步輻射光來(lái)做，只需要十幾秒或者幾分鐘，工作效率可以提高幾萬(wàn)倍。

　　波長(zhǎng)覆蓋面大是同步輻射光的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。比如在醫(yī)療領(lǐng)域，辨認(rèn)病毒細(xì)胞、了解病毒蛋白質(zhì)和DNA組成、觀察其螺旋結(jié)構(gòu)的分子組成需要不同波長(zhǎng)的光，一般光線都不具備不夠廣泛的波長(zhǎng)范圍，而同步輻射光具有從遠(yuǎn)紅外、可見(jiàn)光、紫外直到x射線范圍內(nèi)的連續(xù)光譜，因此能夠完成各種不同觀測(cè)任務(wù)。

　　同步輻射光幾乎是一束平行光，它的發(fā)射集中在以電子運(yùn)動(dòng)方向?yàn)橹行牡囊粋€(gè)很窄的圓錐內(nèi)，張角非常小，在這一點(diǎn)上它堪與激光媲美。

　　化學(xué)反應(yīng)或者材料結(jié)構(gòu)變化時(shí)常瞬息萬(wàn)變，使用脈沖時(shí)間間隔長(zhǎng)的光源觀測(cè)這些過(guò)程，難免對(duì)細(xì)節(jié)有所遺漏，而同步輻射光的脈沖間隔可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，從幾十納秒到微秒級(jí)別都有可能。這種特性使得它能夠非常有效地幫助人們捕捉微觀世界的變化過(guò)程。

　　正是同步輻射光這些獨(dú)特而優(yōu)異的性能，捕獲了科學(xué)家們的心。

　　讓微觀世界纖毫畢現(xiàn)

　　遼寧日?qǐng)?bào)：聽(tīng)了您的講解，我們感到同步輻射光的確與眾不同。看來(lái)它的發(fā)現(xiàn)對(duì)科學(xué)界產(chǎn)生了很大的影響。

　　裴元吉：是的。它就像一支火炬，照亮了人類科技未曾探索過(guò)的許多領(lǐng)域。生命科學(xué)領(lǐng)域是同步輻射光較早的應(yīng)用平臺(tái)之一。

　　同步輻射光能清晰拍出過(guò)去“隱形”的血管、神經(jīng)等軟組織照片。傳統(tǒng)方法診斷可看到幾毫米，新光源則能細(xì)致到微米。這有助于更早發(fā)現(xiàn)病變，提前介入治療。

　　目前x射線雖能起到很好的成像作用，但因其所含的光線種類較多，且方向相對(duì)較散，形成的各種影像重疊在一起，圖像比較模糊。而同步輻射光源方向性較強(qiáng)，即便是人體內(nèi)的毛細(xì)血管，也能清晰地拍出來(lái)。因此，有了同步輻射光源后，醫(yī)生若發(fā)現(xiàn)病人某部位毛細(xì)血管突然增生，就可以有意識(shí)地發(fā)現(xiàn)腫瘤。另一方面，同步輻射光源較“純凈”，對(duì)人體的危害性相對(duì)較小。

　　惡性腫瘤是由于細(xì)胞核內(nèi)控制細(xì)胞分裂的基因密碼變異，失去“關(guān)閉”細(xì)胞分裂功能，導(dǎo)致病變細(xì)胞的無(wú)限制增長(zhǎng)形成的。利用同步輻射光的微束技術(shù)，人們可研究基因密碼的變異機(jī)制，并尋求診斷和治療辦法。目前國(guó)際上已有醫(yī)藥公司在同步輻射光源上建設(shè)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)站，以期破解人類大部分致病分子的空間結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)出新藥，攻克癌癥。

　　同步輻射光還被廣泛地應(yīng)用到觀察生命現(xiàn)象的研究中。高亮度與脈沖時(shí)間結(jié)構(gòu)，是同步輻射光的優(yōu)秀特性，它們會(huì)幫助人們有機(jī)會(huì)像看電影那樣直接觀察生物大分子之間相互作用的精細(xì)過(guò)程。

　　此外，醫(yī)療領(lǐng)域要研發(fā)新藥物，我們要先揭開(kāi)致病物質(zhì)的 “廬山真面目”，弄清楚它們的分子及周圍分子的三維結(jié)構(gòu)，才能“對(duì)癥下藥”設(shè)計(jì)出抑制或隔離致病分子的藥物分子結(jié)構(gòu)。同步輻射光將大大縮短設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)成本。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

　　遼寧日?qǐng)?bào)：同步輻射光是否還可以被用來(lái)研究那些不能組成生命的物質(zhì)？

　　裴元吉：當(dāng)然可以。同步輻射光的應(yīng)用領(lǐng)域非常寬廣。比如它的高亮度光束可以清楚地揭示材料中原子的精確構(gòu)造和有價(jià)值的電磁結(jié)構(gòu)參數(shù)等信息，這使得它在新材料的研究及開(kāi)發(fā)方面大有作為。

　　自然災(zāi)害頻發(fā)、生態(tài)失衡等，很大程度上是環(huán)境污染造成的。如果未來(lái)在分子尺度上，污染物的形成、遷徙、轉(zhuǎn)換等復(fù)雜過(guò)程能夠被破解，環(huán)境面臨的威脅將會(huì)小得多。同步輻射光洞悉物質(zhì)微觀世界變化的能力，將成為環(huán)境污染治理的有力推手。

　　我們知道光合作用使植物產(chǎn)生支持生命的氧氣,使太陽(yáng)能不斷轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞣N有用的能源,因此破譯光合作用的機(jī)制，并將其靈活地運(yùn)用到生活中，是化學(xué)科學(xué)的一個(gè)前沿目標(biāo)。在同步光源的幫助下，光合作用期間原子排列和化學(xué)鍵時(shí)間演變的關(guān)鍵信息,將逐步呈現(xiàn)在科學(xué)家面前。

　　同步輻射光還在凝聚態(tài)物理、地球科學(xué)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域表現(xiàn)非凡，所以有人說(shuō)誰(shuí)占有了同步輻射光源技術(shù)誰(shuí)就有可能做出更多的一流科技成果。最近十幾年，已有好幾位科學(xué)家因“嫁接”同步輻射光技術(shù)與生物研究而獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

　　科研領(lǐng)域的最佳光源

　　遼寧日?qǐng)?bào)：從被發(fā)現(xiàn)到今天在各科研領(lǐng)域開(kāi)花結(jié)果，同步輻射光的發(fā)展肯定留下了一個(gè)個(gè)堅(jiān)實(shí)的腳印吧？

　　裴元吉：是的。同步輻射光發(fā)展至今已經(jīng)經(jīng)歷了三代變革。

　　曾經(jīng)，第一代同步輻射光源的電子儲(chǔ)存環(huán)是為高能物理實(shí)驗(yàn)而設(shè)計(jì)的，只是“寄生”地利用從偏轉(zhuǎn)磁鐵引出的同步輻射光，故又稱“兼用光源”。后來(lái)，根據(jù)同步輻射用戶的要求，從偏轉(zhuǎn)磁鐵引出同步輻射的專門裝置被制造出來(lái)，形成第二代同步輻射光源。在看到第二代同步輻射裝置的巨大科研價(jià)值之后，世界各國(guó)政府紛紛支持建造新一代具有更高亮度的第三代同步輻射光源。為此，科學(xué)家們將新一代同步輻射光源的電子儲(chǔ)存環(huán)對(duì)電子束發(fā)射度和大量使用插入件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使電子束發(fā)射度比第二代小得多，因此同步輻射光的亮度大大提高 （亮度比最亮的第二代光源至少高 100倍，比通常實(shí)驗(yàn)室用的最好的x光源要亮1億倍以上），并且從波蕩器等插入件可引出高亮度、部分相干的準(zhǔn)單色光。

　　現(xiàn)在，第三代同步輻射光源已成為當(dāng)今眾多學(xué)科基礎(chǔ)研究和高技術(shù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用研究的最佳光源。

　　遼寧日?qǐng)?bào)：我國(guó)同步輻射光源技術(shù)處于什么樣的水平？

　　裴元吉：同步輻射光源是一種可供開(kāi)展多項(xiàng)研究活動(dòng)的大科學(xué)裝置，其建造和運(yùn)行在很大程度上代表一個(gè)國(guó)家的綜合科技水平。我國(guó)繼北京第一代同步輻射裝置及合肥第二代同步輻射裝置之后，上海也建造了以大量應(yīng)用插入件為主要標(biāo)志的第三代同步輻射裝置。

　　未來(lái)，同步輻射裝置將成為我國(guó)迎接知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代、創(chuàng)立國(guó)家知識(shí)創(chuàng)新體系的必不可少的國(guó)家級(jí)大科學(xué)裝置。同步輻射光研究事業(yè)已經(jīng)成為我國(guó)科學(xué)界的“希望之光”。

　　遼寧日?qǐng)?bào)：謝謝裴教授的講解！

　　本報(bào)記者／王 亮

　　專家檔案

　　裴元吉 國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室研究員，博士生導(dǎo)師。曾任加速器工程（8348工程）副總工程師、國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室副主任，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)位委員會(huì)委員、核技術(shù)及應(yīng)用學(xué)位點(diǎn)分學(xué)位委員會(huì)主任、中國(guó)粒子加速器學(xué)會(huì)常務(wù)理事、加速器技術(shù)委員會(huì)主任等。

　　國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室。