瞭望 中國科學院院士王貽芳：用一束光探索微觀世界
中國科學院院士王貽芳
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，成爲國際領先的高能同步輻射光源實驗平臺
文 |《瞭望》新聞週刊記者 扈永順
人類探索未知永不止步。當我們對宇宙和生命的認識越多，我們就越需要先進的工具。
“科研人員要研究材料內部結構與變化的過程，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內部結構的平臺，它能幫助人類對物質內部進行立體掃描。這是一個國家基礎科學研究不可或缺的手段。”中國科學院院士、中科院高能物理研究所所長王貽芳告訴《瞭望》新聞週刊記者。由中科院高能物理研究所承擔建設的高能同步輻射光源（簡稱HEPS），於今年6月底安裝了首臺科研設備，標誌着HEPS工程正式進入設備安裝階段。
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、深入內部。當光束照射在物質上時，就會產生許多不同的效應，比如光電子發射、離子或中性原子脫離、吸收、散射等現象。這些效應與物質本身的物理或化學特性密切相關。因此，科學家通過探測到的這些反應就能研究在分子、原子尺度上各種物質的微觀結構和運動規律，觀察微觀世界之中時空的流變。
HEPS是《國家重大科技基礎設施建設“十三五”規劃》確定優先佈局的10個建設項目之一，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，它能產生能量更高、亮度更強的小光束，成爲國際領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要實現的功能是什麼？
王貽芳：HEPS的外觀被設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公里的儲存環及實驗大廳，猶如放大鏡的鏡框，是放置大型科學儀器的地方。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展戰略和工業核心需求相關研究的迫切需求。如航空發動機材料、工程材料的結構分析、全壽命過程研究，探究材料性能和使用過程中失效的關鍵因素；解決高溫合金材料的製造、加工、服役和修復等環節中的偏析問題和應力問題。
同時，HEPS也能在其他能區提供亮度更高的X射線，在基礎科學研究領域爲用戶提供更好的支撐平臺。例如揭示微觀物質結構生成演化的機制，剖析微觀物質構成，爲物質調控提供基礎支撐；解析1微米量級蛋白質晶體的結構，解釋重要蛋白的功能，推動新藥發明等等。
《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，爲什麼國家要持續發展同步輻射光源？
王貽芳：這是科學發展自然的進程、步伐。世界上的第一代光源，是美國建設的電子對撞機輻射出來的光源，科學家發現光源有用，其他國家也跟着這麼做。科技發達的國家，都是一代一代地做同步輻射光源。
迄今爲止，世界上約70%的已知生物大分子結構：蛋白質、DNA、RNA、核糖體、病毒等，都是藉助同步輻射光了解的，同步輻射裝置爲各學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施建設的投入。據不完全統計，目前全世界已相繼建成50多臺同步輻射光源。
上世紀80年代末，依託於北京正負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並投入使用。此後，爲了獲得更高的性能，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，每一年都能服務幾百上千個課題組，對中國的科學技術發展起到了很重要的作用。
儘管我國已經擁有三代同步輻射光源，但它們均處於低、中能量區，從亮度能譜的分佈來說，我國還缺乏高亮度的高能光源。要看清物質內部的細節，很重要的一點就是要有足夠的亮度，所以我們要繼續發展第四代高能同步輻射光源。
從另外的角度說，很多與國家發展戰略相關的研究，我們不能期望依靠國外的同步輻射裝置來開展，只能建設我們自己的同步輻射裝置。
此外，建設大科學裝置的溢出效應非常強，能夠帶來巨大的社會和經濟效益，這也推動了同步輻射光源的建設。例如HEPS的建設，研發和引進了多項世界先進技術，這些技術在我國進一步發展和推廣，將直接帶動相關高科技研究和工業的發展，提升衆多相關產業的技術進步。
高能同步輻射光源（簡稱HEPS） 中科院高能物理研究所供圖
HEPS國際領先
《瞭望》：相比於上海光源，HEPS有哪些先進之處？
王貽芳：上海光源開放運行12年來，不僅支撐產出了大批學科前沿研究成果，而且在國家戰略需求與重大應用方面發揮着重要作用。
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。光越亮意味着探測的精度越高，探測速度也越快。而且相比於低亮度時要準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HEPS，使得我國的同步輻射光源向高能區擴展，和我國現有的光源形成能區的互補，改善我國科技基礎設施的水平，提升基礎科學和高技術領域的原始創新能力。
《瞭望》：HEPS建成後，將處於怎樣的國際水平？
王貽芳：前三代同步輻射光源，我們比發達國家的技術水平大概差十年。在世界上第四代同步輻射光源中，HEPS技術指標超前。
當前，同步輻射光源正經歷由第三代向第四代的跨越。第四代同步輻射光源的設計思想是世界各國科學家討論出來的，是科學家思想的一個集合，一些國家會選擇將其落地建設。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升級。但他們是在上一代基礎上的更新改進方案，因此一些技術指標受限。雖然HEPS的建設時間晚於歐美，但HEPS是一個全新的裝置，主要性能指標位居世界前列，具有世界最高光譜亮度，高於世界上現有和正在或即將建設的光源，發射度指標比歐美日的指標高一倍，並且還有進一步提高的空間。
高亮度是大家共同的追求。因爲只有足夠高的亮度，才能讓我們更清楚地瞭解材料的內部結構。如果光的亮度足夠高，就能幫助我們進一步探測分析飛機發動機材料在工作狀態下的結構，研究材料內部運動變化的過程，例如能夠看到材料中裂紋的生長髮展過程，對整個過程瞭解了，我們就可以知道怎麼避免產生裂紋。
《瞭望》：這一裝置建成後多久可長期穩定可靠運行？目前來看是否有足夠的用戶？屆時產出成果水平如何？
王貽芳：按照計劃，HEPS將在2024年初步建成，經過一年到一年半的測試後，會於2025年底投入使用。首期建設的14條公共光束線站，將向工程材料、能源環境、化學、地質等領域的高校、科研院所，以及航空航天領域的企業等用戶全面開放。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着大科學裝置建成，都是先有裝置再有用戶。有了高端裝置，自然激發出高端用戶，用戶會思考如何使用這一前所未有的高端裝置做工作。大科學裝置是跟用戶相互激發、共同發展的。
根據過去的經驗看，用戶遠比我們想象的需求多，他們想出我們很多想象不到的用途，產出一大批先進研究成果。
以大科學裝置突破科學前沿
《瞭望》：“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要提出，適度超前佈局國家重大科技基礎設施。如何評價國內的大科學裝置發展情況？未來發展路在何方？
王貽芳：我國大科學裝置的數量和種類已經基本接近發達國家水平，但裝置的綜合性能與發達國家相比還有一定差距。特別是科學產出差距更爲突出，重大科技創新成果較少，還不能滿足建設科技強國的需求。
我國發展大科學裝置，第一，要從思想觀念上認識到，建設科技強國必須要有大科學裝置。大科學裝置是爲探索未知世界、發現自然規律、實現技術變革提供極限研究手段的大型複雜科學研究系統，是突破科學前沿、解決經濟社會發展和國家安全重大科技問題的物質技術基礎。
第二，國家對大科學裝置建設要有全面思考、系統規劃。
我們要建設在關鍵領域引領國際水平的大科學裝置，而不是低水平重複建設別人的已有裝置。要考慮面上和重大突破點的結合，不能面面俱到，要有重點突破。根據不同目標，建設專用型、平臺型、社會服務型大科學裝置。整體考慮大科學裝置與實驗室“小”科學裝置的平衡佈局。
第三，依據國內的實際條件，充分考慮大科學裝置的可行性。建設某一領域的大科學裝置，要適應現有的研究條件，有足夠的研究力量，綜合考慮建設和運行隊伍情況。
《瞭望》：近幾年，隨着國家對綜合性國家科學中心建設和大科學裝置建設的重視程度日益提高，地方政府應如何在其中發揮作用？
王貽芳：地方政府不一定要主導大科學裝置建設，而是要配合《國家重大科技基礎設施建設“十三五”規劃》等國家規劃，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大科學裝置建設，而不是配合國家規劃提供配套資金。但地方政府不一定有能力判斷處於國際前沿的基礎科學領域，如果紛紛建設大科學裝置很容易造成重複投資。而且大型科技基礎設施每年的運行費大約是建設經費的10%，還需要更大數量的科研經費支持，以及大量的升級改造費用。
地方政府應該提高思想認識，將國家選定某個地方建設大科學裝置視爲該地發展的機遇。大科學裝置建設運行會形成人才聚集效應，吸引高科技企業集聚，推動當地企業和科研院所發展。所以地方政府該做的，應該是提供配套建設資金以及提供其他支持，而不一定是自己上馬大科學裝置。
《瞭望》：你認爲更好發展大科學裝置還需要獲得哪些方面的支持？
王貽芳：發展大科學裝置需要完善的頂層規劃、國家支持以及科學家挑選出合適的項目，這些因素缺一不可。
目前，對大科學裝置的資金投入仍是個大問題，單純的國家財政投入不足。國內基礎研究投入只佔R&D經費(研究和試驗發展經費)的5%，而大科學裝置建設經費又佔基礎研究經費投入的約5%。美國這兩個數據則分別是15%、10%。由此可見我們的大科學裝置建設經費尚不如發達國家。
發達國家的科研經費有相當數量的社會捐贈、地方政府投入。中國的社會捐贈則主要用於高校教學樓建設、獎學金髮放，用於科學研究的捐贈很少。
解決資金短缺問題，我們歡迎並呼籲社會對基礎科學的支持。■