探秘北京怀柔科学城里的五个大“科学装置”
- 来源：北京晚报
- 2021-03-24 08:46:20
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蛋白质组的秘密是什么?人类大脑究竟是如何工作的?地球的核心由何组成……从星辰大海到生命演化，人类对未知领域的探索离不开功能强大的科研仪器，特别是大科学装置，是建设科技强国的“大国重器”。
“十三五”时期落地怀柔科学城的五个大科学装置，日前分别迎来阶段性建设成果，“大国重器”已初露芳容。长城脚下、雁栖湖畔，一座百年科学城正以扬帆起航、全面推进的姿态走来。作为国家批复的北京怀柔综合性国家科学中心的核心承载区，怀柔科学城正成为北京地区大科学装置最为密集的区域。
重器·北京光源
正推进直线加速器隧道建设
人类的发展从来离不开对光的利用。就像手电筒越亮、看物体越清晰一样，要想观察到微观物质的细节，很重要的一点就是有足够的亮度。为制造能量更高、亮度更强的小光斑，人类就发明了一个大工具，即同步辐射光源。
同步辐射光源研发于上世纪60年代末，被誉为“神奇的光”。这种装置的理论基础来自经典电动力学中的同步辐射定律，利用这一定律，基础科学研究者得以建构起一种在相对论性电子(或正电子)在磁场中偏转时产生同步辐射的高性能新型强光源。
2010年，上海同步辐射光源建成，成为世界上性能最好的第三代中能同步辐射光源之一。它像一台超级显微镜，在新冠肺炎疫情期间，帮助科学家深入了解新冠病毒微观结构、打开新冠病毒感染人体的“黑匣子”。
地处怀柔科学城核心区的北京高能同步辐射光源(HEPS，简称北京光源)，则属于第四代同步辐射光源装置，并且是我国第一台高能同步辐射光源，由中科院高能所承担建设，总建筑面积约12.5万平方米，主要包括加速器、光束线和实验站等。
从高空俯瞰看，整体建筑外形似一个放大镜，寓意“探测微观世界的希望之光”。这其中，周长近1.4公里的装置区，犹如放大镜的镜框，是造型的“点睛之笔”，也是将来放置大型科学仪器的地方。
攻坚克难
建筑规范中首现纳米级精度
“形容工程建设难度，一般会说体量大、工期紧、精度高，可对于大科学装置的建设，每一步都像一次科学探索。”施工方北京建工集团北京光源项目执行经理任锦龙说，由于肉眼极难察觉的极轻微振动也会对电子束流的稳定性带来大影响，地基施工之初，他们就接到一项新的指标要求——防微振动控制，控制目标是：振动频率在1到100赫兹的地面振动在1秒内的均方根位移积分小于25纳米。
25纳米是什么概念?人的头发的直径一般在20到50微米，而1纳米只有1微米的千分之一。倒推到施工环节，就意味着结构要无限趋近于“零沉降”，12万立方米的环形地面必须是一个整体。
“纳米级精度，这是第一次出现在建筑规范中。”副总工程师荣慕宁说起，整整4个月的时间，项目团队埋头攻关，从地基用哪种材料换填到如何分步进行混凝土浇筑，甚至细到48条拼接缝隙怎么填充最完善，都得精心部署，“感觉就像‘打怪升级’，我们不是在做试验，就是在去做试验的路上。”
任锦龙则说，从结构工程专家、结构抗震专家到水利专家，工程每向前推进一步，都有一个超级牛的科学家团队提供严谨的科学论证与指导。
最新进展
今年年初，北京光源工程完成主体钢结构施工，周长近1.4公里的装置区正式连接成环。目前，项目工地约1200名建设者正加速推进试验大厅底板、储存环隧道结构施工以及2号楼纵横动力站精装收尾工作，预计3月底进行2号楼综合动力站竣工验收，6月底直线加速器隧道具备科研设备安装条件。
按照规划，北京光源将于2025年建成运行。届时，它不仅是我国第一台高能同步辐射光源，也将是世界上亮度最高的第四代同步辐射光源。
重器·子午工程二期
计划6月底土建工程竣工
人类的探索永无止境，从陆地到星辰大海，这其中，日地空间是一个重要区域。它既是自然科学原创性新发现的重要区域，也是与人类活动息息相关的第四生存环境，也因此，对日地空间环境的监测和研究是太空探索的必由之路。
“十二五”时期，我国在空间天气和空间环境领域建设完成了第一个国家重大科技基础设施，即东半球空间环境地基综合监测子午链(简称子午工程一期)。子午工程一期在探空火箭、激光雷达、光学干涉仪等领域均达到国际先进水平，比如它第一次观测到我国上空空间环境对太阳风暴的大范围响应和传播。
然而，由于子午工程一期观测台站多集中于东部地区，没有实现中国上空空间环境的全域覆盖，也缺乏对有重要研究价值的热点区域的精细探测。“十三五”时期，国家批复建设空间环境地基综合监测网(简称子午工程二期)，在新增东经100度和北纬40度量条观测链上，部署16个台站、195台(套)监测设备。
位于怀柔科学城的子午工程综合信息与运控中心，总建筑面积11978平方米，相当于子午工程二期的“信息大脑”，可以实现对全部监测设备的综合调度和监测数据的汇总分析。“它就像是一个数据的基础‘路网’，监测到的数据可开放给科学家研究使用。”中科院国家空间中心主任助理袁庆智说。
攻坚克难
每颗螺丝钉都是“零磁”的
作为“信息大脑”，自是少不了各种实验室，大空间结构也成为建筑的一大特点。“局部空间最高处足有12.8米，属于危险性较大的分项工程。为此，工程施工中特别采用了盘口支撑体系。”施工北京城建建设子午工程项目经理刘新刚说。
建筑面积343.6平方米的地磁实验室，就属于12.8米的高空间，而且是一个“零磁”空间。“这里使用的钢材全都在生产线上经过了特殊的消磁处理，就连一颗螺丝钉都是‘零磁’的，然后由工人在现场手工搭建。”刘新刚说，所有材料在安装前都必须经过无磁检测，一个不大的实验室，仅材料检测次数就达到千次，“看着不起眼，其实非常了不起。”
最新进展
目前，子午工程综合信息与运控中心正在进行室内外装修施工，计划今年6月底实现土建工程竣工，明年投入试运行。
据了解，子午工程二期整体计划于2023年竣工，届时将形成一座空间“长城”，科学家可将电离层、中高层大气、地磁环境尽收眼底，使得我国空间环境地基探测能力在世界上处于领先水平。
重器·多模态跨尺度生物医学成像设施
主体结构封顶正在加速屋面施工
你知道吗，人脑的神经网络中有10亿多个神经元，神经突触达千亿级。要想研究人脑，就得先探看得到数量庞大的神经突触，这就离不开成像技术。在怀柔科学城，就有一座正在建设中的探测生命奥秘的利器——多模态跨尺度生物医学成像设施。
多模态跨尺度生物医学成像设施是《国家重大科技基础设施建设“十三五”规划》确定的十个优先建设项目之一，也是生物医学成像领域由我国科学家首倡的大科学工程。项目总建筑面积7.2万平方米，包含多模态医学成像装置、多模态活体细胞成像装置、多模态高分辨分子成像装置、全尺度图像数据整合装置等四大装置及相关辅助平台。
“通常来说，单一成像模态不能兼顾成像分辨率和成像视野及深度，而多模态跨尺度生物医学成像设施就可以解决这个问题。”建设方北京大学成像设施指挥部办公室副主任刘文建介绍，该设施将提供革命性的研究手段，对生命体结构与功能进行跨尺度可视化描绘与精确测量，进而破解生命与疾病的奥秘。
攻坚克难
施工洁净度达万级以上标准
建筑外形上方方正正的几栋楼，看似普通，里面却很有讲究。“因为将来这里要放置许多医学成像设施，所以需要在房间内加设一个核磁屏蔽层，就像给设施套上了‘保护罩’。”北京城建集团多模态项目总工路伟伟说。
对施工来说，多一个核磁屏蔽层代表至少多了三道工序，墙面和吊顶外要安装一个3毫米厚的铅板层，地面则要铺装一层0.3毫米厚的紫铜，“安装中要求严丝合缝，平整度控制在毫米级。”
同时，由于总建筑面积25%的部分都属于试验室，施工中对洁净度的要求非常之高，都达到万级以上标准。“为这些高精密设备房，我们还量身定制了一套空气系统。”路伟伟说。
最新进展
据了解，继2020年12月底实现主体结构封顶后，工程目前已转入二次结构及屋面工程施工阶段，计划今年9月底外饰面整体亮相，11月底装饰装修基本完成，明年8月实现土建工程竣工。多模态跨尺度生物医学成像设施建成后，将为我国高端生物医学影像仪器装备及产业发展提供支撑，并在综合能力上成为世界一流的生物医学成像设施。
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大科学装置
“工欲善其事，必先利其器。”要在基础研究中不断有原始创新，离不开自主研发的大科学装置。“十三五”时期落地怀柔科学城的五个大科学装置包括：综合极端条件实验装置、地球系统数值模拟装置、高能同步辐射光源、多模态跨尺度生物医学成像设施，以及子午工程二期。
据北京市发改委披露，地球系统数值模拟装置项目正在有序推动设备安装，力争于今年6月、比计划工期提前近一年投入试运行。而综合极端条件实验装置已完成土建工程竣工验收，设备到货率达到48%，现场设备调试达28%。
此外，在怀柔科学城布局的13个交叉研究平台和11个科教基础设施，也都实现开工建设。
记者：赵莹莹 潘之望
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