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“一定要自主研发出核心技术!”上海开建总投资近100亿元的自由电子激光装置

2019/8/14 17:28:10

“一定要自主研发出核心技术!”上海开建总投资近100亿元的自由电子激光装置

今天,我国迄今为止投资最大、建设周期最长的国家重大科技基础设施项目——硬X射线自由电子激光装置在上海张江综合性国家科学中心开工建设。这一总投资近100亿元的“大国重器”计划于2025年竣工并投入使用,为科研用户提供高分辨成像、先进结构解析、超快过程探索等尖端研究手段。

 

X射线自由电子激光装置是各个科技强国争相发展的大型加速器。目前,规模最大、性能最好的是欧洲X射线自由电子激光装置和美国直线加速器相干光源Ⅱ,前者去年建成,后者在建设中。上海装置的规模与它们相当,性能各有千秋,建成后将形成三足鼎立格局。

 

如今,这一领域的国际合作形势不容乐观,竞争的意味越来越浓,这让上海科研团队憋足了一股劲。“在建设过程中,我们一定要立足自主研发,把核心技术、关键技术掌握在自己手里!”硬X射线自由电子激光装置工程副经理王东研究员说。

上海硬X射线自由电子激光装置结构示意图

 

上海“兜底”出资建顶级装置

自由电子激光是以自由电子为工作介质产生的强相干辐射,也是目前世界上最先进的X光光源,能发出波长0.01—0.1纳米的硬X射线。上海交通大学教授王宇杰介绍,这种“非一般”激光具有三大特点:超高亮度、超短脉冲、完全相干性。

 

峰值亮度上,自由电子激光比“上海光源”等第三代同步辐射光源高10亿倍左右,而同步辐射光的峰值亮度比太阳光高1亿倍以上,可见自由电子激光亮度之高。自由电子激光的脉冲则超短,达到飞秒量级(1秒的1000万亿分之一)。“超高亮度、超短脉冲这对组合,为科学研究提供了利器。”硬X射线自由电子激光装置工程副经理刘志教授说,超高亮度光源照射到生物活体细胞等样品后会损坏它,但自由电子激光的成像时间达到飞秒量级,所以在样品受损前的一刹那,就已拍摄到科学家渴求的“分子电影”。

 

上海要成为具有全球影响力的科技创新中心,需要拥有自由电子激光。它与第三代同步辐射光源、国家蛋白质科学设施、超强超短激光等组成国际领先的光子科学设施集群,能吸引全球科学家到张江开展最前沿的探索。

上海张江综合性国家科学中心的光子科学设施集群

 

王东告诉解放日报·上观新闻记者,“硬X射线自由电子激光装置”多年前就被写入《国家重大科技基础设施建设中长期规划(2012—2030年)》,2016年又被列入《国家重大科技基础设施建设“十三五”规划》。一开始,科学界设想的方案是利用常温技术建造低重复频率装置,造价近20亿元。然而上海加快建设科创中心以来,市委市政府与国家发展改革委、中科院多次讨论,最终决定:瞄准国际先进水平,采用低温超导技术,建造高重复频率硬X射线自由电子激光装置。其综合性能是低重复频率装置的100—1000倍,造价也随之跃升,高达95亿元左右。

 

对于这个我国史上投资最大的科技基础设施,市委市政府鼎力支持——国家发展改革委出资20亿元,其余经费由上海市“兜底”。上海市政府还出资7.7亿元,支持项目团队研发超导高频等领域的核心技术和关键技术。

 

中欧对等合作,美方婉拒交流

最高标准、重金投入,让中国迈向光子大科学装置的全球第一梯队。在这个梯队中,除了上海硬X射线自由电子激光装置外,还有德国汉堡的欧洲X射线自由电子激光装置、美国硅谷的直线加速器相干光源Ⅱ。三者都采用最先进的超导高频技术。

 

近两年,参与建设上海装置的中国科学家与美国、欧洲相关科研机构联系,谋求合作,不料遇到了一些波折。王东介绍,自由电子激光装置属于基础科研领域,原本是很开放的,各国科学家都会坦诚交流。但是近两年来,国际上大有竞争替代合作之势,一些发达国家对待中国科研单位的态度发生了明显变化。

 

去年,当得知中国要建造一个与欧洲X射线自由电子激光至少同等水平的装置后,欧洲科研机构的合作态度变得十分微妙。不过随着双方交流的深入,大家意识到,中国科研团队掌握的技术有独特之处。于是,双方商定:更多地基于基本对等的技术交换方式,开展合作。

上海科研机构研制的自由电子激光直线加速器(300米长)

 

对于中国科研团队发出的交流合作邀请,美国科研机构则予以婉拒。无论是婉拒交流,还是技术交换,都激励上海科学家以更大的热忱投身自主研发。“就像习总书记说的,核心技术、关键技术,化缘是化不来的。”王东说,“我们必须自主研发出更多的核心技术和关键技术,这样才能在国际合作和竞争中拥有主动权,获得更大的选择余地。”

 

刘志还指出,自由电子激光领域的中美、中欧合作其实是大势所趋,能实现共赢,“上海张江的大门始终向各国科学家敞开”。

 

突破核心技术的自信来自哪里

刘志介绍,上海硬X射线自由电子激光装置工程的技术难度很大。装置总长约3.1公里,将建设埋深29米的地下隧道,包含超导直线加速器隧道、波荡器隧道、光束线隧道等10条隧道及5个工作井。装置主要由4个部分组成:超导加速器、光束线、实验站和配套公用设施。两个实验大厅分别设在张江实验室、上海科技大学。

 

超导加速器是装置的核心部分,包括一台能量100兆电子伏特的电子注入器、一台能量8吉电子伏特的连续波超导直线加速器、3条产生X射线(光子能量覆盖0.4—25 千电子伏特)的高重复频率自由电子激光放大器。而超导高频加速模组,是超导加速器里的核心部件。这个模组长约12米,由数千个零部件构成,结构非常复杂。其中的高频腔部件由低温超导材料制成,浸泡在零下271.15摄氏度的液氦中,能产生高梯度电场,将自由电子加速到光速。王东和刘志表示,项目团队有信心通过自主研发,在未来三四年里取得核心技术突破。

超导高频加速模组

 

这份自信,来自上海的科研实力和人才优势——目前,我国共有5个已建成或在建的高增益自由电子激光装置,全部由上海科研机构负责研发和集成。这一领域的国内研发人才,90%左右集中在上海。

 

这份自信,来自我国日益提升的高端制造业实力——高增益自由电子激光装置的很多重要部件,已实现国产。如低温恒温器,由无锡一家企业制造;又如大晶粒超导腔,由宁夏一家超导科技公司生产。

 

这份自信,也来自上海的科研布局——去年底,上海启动了3个市级科技重大专项,“高重频硬X射线自由电子激光预研”是其中之一,为核心技术攻关提供了充分的人力和财力保障。

 

“工程才刚开始,有大量的技术挑战等待我们去征服。”王东告诉记者。未来的7年里,项目团队将全身心投入自主研发,力争让上海硬X射线自由电子激光装置成为全球最先进、最高效的科研光源。“我们也希望,这个领域的国际合作尽早回到正常轨道,”刘志说,“这对各国的前沿科技发展都有利。”