文/记者 白竟楠

　　刘鹏简介:中国科学院高能物理研究所研究员、北京同步辐射装置X射线光学与技术实验室主任，博士生导师

　　这双超人的眼睛就是同步辐射装置，它依靠超强X光源在原子水平上探测物质的结构，用这种方式可以打开生命科学、材料科学、地学、环境保护、考古学等众多领域分子世界的大门。目前在世界范围内，同步辐射装置已经发展到第三代，正在向第四代迈进，而我国的同步辐射装置正处于从第三代到第四代的关键过渡时期。在刘鹏看来，明年他将制造出新一代探测器样机，这是对世界已有技术的突破，不仅是科研的胜利，更能带来广阔的市场空间。

　　无限用途的光最初曾被忽视

　　在中国科学院高能物理研究所的大院儿里，有一个形态特殊的建筑，从地图上来看，它就像是电影里的神秘基地一样，这座建筑就是北京正负电子对撞机(BEPC)，其原理是利用其中的加速器加速正负电子，通过这些电子相互对撞来研究高能物理的基本过程。

　　在这些高能带电粒子用接近光速旋转的时候，会有一种副产物产生——沿着运动速度方向产生光波，这是一种辐射，是1947年在同步加速器上发现，因此命名为同步辐射。然而，由于同步辐射会造成高能加速器能量的严重损失，所以，这种在今天看来有着无限用途的光，在最初被发现的时候，却是高能物理极力要排除的因素。

　　有针对性地探测这种辐射始于1946年，但当时的实验什么也没有观测到，因为从加速度方向“飞出去”的辐射都被不透辐射的天线镀层完全屏蔽了，这样就使同步辐射的发现推迟了一年。1947年，科学家在美国的同步加速器上首次观测到了电子的电磁辐射，因此命名为同步辐射。

　　利用同步辐射装置探究分子结构往简单来说，其实就是用不同的光来看不同的内容，就像在自然光下，人们可以看到物体的颜色、形状等外表;而利用X射线，则可以看到物体的内部信息，如同在医院的CT检查，医生可以通过X射线看到病人体内的病变情况，而且可以看到分子和原子水平的结构信息。

　　同步辐射是一种亮度很高的新型光源，在同步辐射装置上拍摄一套生物大分子晶体的衍射图片，通常只需要几秒到几分钟时间，而在X光机上需要的时间往往是用小时或天来计算的。更关键的是，对于膜蛋白等重要大分子，使用X光机无论多长时间都无法获得有效的数据。此外，同步辐射从红外线、可见光、真空紫外线、X射线等不同波段都能覆盖到，是目前唯一能覆盖如此宽广频谱范围的光源。无论对生命科学还是对其他科学领域研究，同步辐射装置都是特别重要的基础实验设施。

　　中国同步辐射装置建设起步于八十年代，1999年，正在读博士的刘鹏得到导师冼鼎昌院士的授权，开始带领团队对我国第一代的北京同步辐射装置进行改造，这是国内首条专用于生物大分子晶体结构研究的光束线与实验站，2003年正式建成并对外开放。

北京正负电子对撞机 

　　纳米量级的光

　　21世纪以来，第三代同步辐射装置是最主要的一代，十年前更提出了第四代的概念，相比于第三代，加速器的电子束团可以将光做到纳米量级，简单说就是光特别亮，光斑尺寸特别小。十二五期间，中国第四代同步辐射装置的关键技术研究即将告一段落，在今年年底结束预研项目批复，至此，第四代——世界目前为止最先进的一代同步辐射装置的核心技术基本获得突破。第四代光源拟定建在北京怀柔，计划2020年左右建成。

　　同步辐射装置的加速器提供高品质的光，但仅有高品质的光还不够，如果探测水平不高，再好的光也无法被接收和利用，所以如何接收和利用高品质的光来进行科学研究，这是刘鹏目前带头研究的课题——探测器的研制，这直接关系到最后获得的实验数据是否全面。

　　探测器是什么?它是窥探通过X光源而显示出的物质的一双眼，就像照相机一样。因为不同的分子结构、蛋白结构有不同的生命周期和受光能力，如果光太强，有的晶体结构就会被打散，采集数据的速度不够快，就会在晶体衰变后还没有完成信息采集，而不同的科学研究需要的探测器的功能也不一样。如果原始的探测器技术是一部黑白相机，新一代的探测器就是一部彩色相机;如果原始的探测器一秒钟只能拍摄几张图片，而新的探测器一秒钟能拍摄上千张图片，这就要求探测器的空间分辨能力(像素)、时间分辨能力(拍摄速度)、探测动态范围(探测深度)都要有质的提高，从图像数量到质量都有质的提升，这就能提高实验效率，并且能完成条件更严苛的实验项目。

　　新一代探测器的功能需要实现集约化，既可以测试能量，又可以测试空间，还可以测试时间，并且还是大尺度探索，这种集约化探测器的研制是十分困难的，因为其涉及到很多学科领域，包括电子学、半导体工艺、固体物理、数据传输、封装工艺等，并且这种集成性探测器对各指标的要求更加苛刻，这就要求这些学科技术必须是最先进的工艺水平，并且要突破每一个学科的极限。所以新型探测器的制作研发周期就会很长，同时还要求各学科领域相互合作。这也是为什么世界上到现在还没有出现这种探测器的原因。

　　依托于中国科学院高能物理所和航天技术的进步、科技企业的崛起和发展，今天终于可以研制出这种集成性的探测器，这积累的时间近十年，计划明年可以制出第一台样机。

2009年刘鹏带领在北京新建的生物大分子晶体学光束线

　　为实验,吃了不少剂量

　　1992年刘鹏在中国科学技术大学近代物理系毕业后来到高能物理研究所攻读硕士学位，当时他致力于同步辐射装置的荧光研究和元素识别;在攻读博士的时候，开始研究用于大分子和小分子材料的同步辐射技术。回忆起当时建设北京第一代同步辐射装置时，刘鹏显得更加兴奋。

　　从资料收集到方案设计，从工程设计、计算到安装、调试，每一个细节都要有刘鹏亲自参与和把关，仅设备调试的过程就持续了一年多，在最忙碌的一个多月里，平均每天只睡三四个小时。

　　因为同步辐射装置在工作状态中会产生辐射，如果要到镜箱旁边近距离观察X光的工作情况必须要考虑辐射防护问题，刘鹏为此特地买了一套铅衣和眼镜，但由于当时的防护水平有限，他不知道自己买的这套铅衣对抵挡辐射基本不起作用。回想起来，当时的做法并不规范，他说自己当时可能吃了不少剂量!但经过了这些艰难，当2006年建设第二条线站的时候，有了第一次的经验，加之技术的进步，已经不再需要人近距离观察，通过计算机远程控制就可以了。

　　直到今天，很多科研单位和机构对同步辐射也并不了解。由于机器运行时间有限，而需求巨大，前来开展同步辐射实验的团队获得的机时每次仅有一两天甚至几个小时，这点时间有时候连充分的实验准备都难以完成。“在我第一次参加X射线分析学术会议的时候，发现很多人都不知道同步辐射，所以我找领导问是否应该多做宣传?当时得到的答复是因为时间太有限，连现有的用户都满足不了，找更多的用户怎么安排?”

　　所以，刘鹏想在建设更多、更先进的同步辐射装置的同时，把同步辐射技术向常规领域拓展。目前国内的高端X光分析系统基本依赖进口，用中国自己研制的高水平设备满足更多的用户需求是他追求的目标之一。

同步辐射装置的工作原理
 

　　成功解析出SARS病毒结构

　　同步辐射装置听起来还是如此抽象，它到底能用来研究什么呢?2003年，刘鹏新建的这条束线与实验站正式投入使用，与此同时，SARS病毒也悄然来到了我们的身边。

　　当人们因为SARS病毒而逃离京城的时候，北京的同步辐射实验站迎来了最热闹的时候，有很多生命科学研究机构和科研院所想通过同步辐射装置探测出SARS病毒的晶体结构，清华大学的分子生物物理学家饶子和院士带着SARS病毒的晶体样品也来到了刘鹏的实验站。

　　为了配合饶院士的研究，刘鹏带领本组成员为SARS病毒蛋白质解析工作提供尽可能长的机时和技术支持。最终，饶子和院士带领清华大学结构生物学联合研究小组成功解析出世界上第一个SARS冠状病毒的蛋白质——3CLPRO，进而解析出了SARS冠状病毒蛋白酶的三维结构，为下一步的研发抗SARS药物和疫苗提供了基础。这项研究成果让国内外同行震惊，饶子和当时在接受媒体采访时说：“这是第一个被解析出来的SARS病毒蛋白质，而且这个蛋白质又是SARS病毒中最重要的蛋白质之一，是药物设计专家特别关注的靶标蛋白。”

　　可以说，没有中国的同步辐射装置作为实验基础设备，也就不可能会有如此之快的世界水平的科研成果。

　　直到采访结束，一个多小时的时间里刘鹏的语速都非常快，充满了对这个领域的热爱。刘鹏认为，目前所做的研究准备都是为了第四代同步辐射装置，如果能在2020年顺利建成，这将是世界上最先进的同步辐射装置，而其中的核心技术——探测器，就是这套装置的关键技术之一，并由中国人所掌握，他将会带领他的团队，助力同步辐射装置和技术向着前沿领域和宽广市场不断拓进。

上海同步辐射装置