探秘懷柔科學城里的“大國重器”

　　蛋白質組的秘密是什么？

　　人類大腦究竟是如何工作的？

　　地球的核心由何組成……

　　從星辰大海到生命演化，

　　人類對未知領域的探索

　　離不開功能強大的科研儀器，

　　特別是大科學裝置，

　　是建設科技強國的“大國重器”。

　　“十三五”時期落地懷柔科學城的五個大科學裝置，日前分別迎來階段性建設成果，“大國重器”已初露芳容。長城腳下、雁棲湖畔，一座百年科學城正以揚帆起航、全面推進的姿態走來。作為國家批復的北京懷柔綜合性國家科學中心的核心承載區，懷柔科學城正成為北京地區大科學裝置最為密集的區域。

　　重器·北京光源

　　正推進直線加速器隧道建設

　　人類的發展從來離不開對光的利用。就像手電筒越亮、看物體越清晰一樣，要想觀察到微觀物質的細節，很重要的一點就是有足夠的亮度。為制造能量更高、亮度更強的小光斑，人類就發明了一個大工具，即同步輻射光源。

　　同步輻射光源研發于上世紀60年代末，被譽為“神奇的光”。這種裝置的理論基礎來自經典電動力學中的同步輻射定律，利用這一定律，基礎科學研究者得以建構起一種在相對論性電子（或正電子）在磁場中偏轉時產生同步輻射的高性能新型強光源。

　　2010年，上海同步輻射光源建成，成為世界上性能最好的第三代中能同步輻射光源之一。它像一臺超級顯微鏡，在新冠肺炎疫情期間，幫助科學家深入了解新冠病毒微觀結構、打開新冠病毒感染人體的“黑匣子”。

北京高能同步輻射光源效果圖

　　地處懷柔科學城核心區的北京高能同步輻射光源（HEPS，簡稱北京光源），則屬于第四代同步輻射光源裝置，并且是我國第一臺高能同步輻射光源，由中科院高能所承擔建設，總建筑面積約12.5萬平方米，主要包括加速器、光束線和實驗站等。

　　從高空俯瞰看，整體建筑外形似一個放大鏡，寓意“探測微觀世界的希望之光”。這其中，周長近1.4公里的裝置區，猶如放大鏡的鏡框，是造型的“點睛之筆”，也是將來放置大型科學儀器的地方。

　　攻堅克難

　　建筑規范中首現納米級精度

　　“形容工程建設難度，一般會說體量大、工期緊、精度高，可對于大科學裝置的建設，每一步都像一次科學探索。”施工方北京建工集團北京光源項目執行經理任錦龍說，由于肉眼極難察覺的極輕微振動也會對電子束流的穩定性帶來大影響，地基施工之初，他們就接到一項新的指標要求——防微振動控制，控制目標是：振動頻率在1到100赫茲的地面振動在1秒內的均方根位移積分小于25納米。

　　25納米是什么概念？人的頭發的直徑一般在20到50微米，而1納米只有1微米的千分之一。倒推到施工環節，就意味著結構要無限趨近于“零沉降”，12萬立方米的環形地面必須是一個整體。

　　“納米級精度，這是第一次出現在建筑規范中。”副總工程師榮慕寧說起，整整4個月的時間，項目團隊埋頭攻關，從地基用哪種材料換填到如何分步進行混凝土澆筑，甚至細到48條拼接縫隙怎么填充最完善，都得精心部署，“感覺就像‘打怪升級’，我們不是在做試驗，就是在去做試驗的路上。”

　　任錦龍則說，從結構工程專家、結構抗震專家到水利專家，工程每向前推進一步，都有一個超級牛的科學家團隊提供嚴謹的科學論證與指導。

最新進展

　　今年年初，北京光源工程完成主體鋼結構施工，周長近1.4公里的裝置區正式連接成環。目前，項目工地約1200名建設者正加速推進試驗大廳底板、儲存環隧道結構施工以及2號樓縱橫動力站精裝收尾工作，預計3月底進行2號樓綜合動力站竣工驗收，6月底直線加速器隧道具備科研設備安裝條件。

　　按照規劃，北京光源將于2025年建成運行。屆時，它不僅是我國第一臺高能同步輻射光源，也將是世界上亮度最高的第四代同步輻射光源。

　　重器·子午工程二期

　　計劃6月底土建工程竣工

　　人類的探索永無止境，從陸地到星辰大海，這其中，日地空間是一個重要區域。它既是自然科學原創性新發現的重要區域，也是與人類活動息息相關的第四生存環境，也因此，對日地空間環境的監測和研究是太空探索的必由之路。

　　“十二五”時期，我國在空間天氣和空間環境領域建設完成了第一個國家重大科技基礎設施，即東半球空間環境地基綜合監測子午鏈（簡稱子午工程一期）。子午工程一期在探空火箭、激光雷達、光學干涉儀等領域均達到國際先進水平，比如它第一次觀測到我國上空空間環境對太陽風暴的大范圍響應和傳播。

　　然而，由于子午工程一期觀測臺站多集中于東部地區，沒有實現中國上空空間環境的全域覆蓋，也缺乏對有重要研究價值的熱點區域的精細探測。“十三五”時期，國家批復建設空間環境地基綜合監測網（簡稱子午工程二期），在新增東經100度和北緯40度量條觀測鏈上，部署16個臺站、195臺（套）監測設備。

　　子午工程二期效果圖

　　位于懷柔科學城的子午工程綜合信息與運控中心，總建筑面積11978平方米，相當于子午工程二期的“信息大腦”，可以實現對全部監測設備的綜合調度和監測數據的匯總分析。“它就像是一個數據的基礎‘路網’，監測到的數據可開放給科學家研究使用。”中科院國家空間中心主任助理袁慶智說。

　　攻堅克難

　　每顆螺絲釘都是“零磁”的

　　作為“信息大腦”，自是少不了各種實驗室，大空間結構也成為建筑的一大特點。“局部空間最高處足有12.8米，屬于危險性較大的分項工程。為此，工程施工中特別采用了盤口支撐體系。”施工北京城建建設子午工程項目經理劉新剛說。

　　建筑面積343.6平方米的地磁實驗室，就屬于12.8米的高空間，而且是一個“零磁”空間。“這里使用的鋼材全都在生產線上經過了特殊的消磁處理，就連一顆螺絲釘都是‘零磁’的，然后由工人在現場手工搭建。”劉新剛說，所有材料在安裝前都必須經過無磁檢測，一個不大的實驗室，僅材料檢測次數就達到千次，“看著不起眼，其實非常了不起。”

　　最新進展

　　目前，子午工程綜合信息與運控中心正在進行室內外裝修施工，計劃今年6月底實現土建工程竣工，明年投入試運行。

　　據了解，子午工程二期整體計劃于2023年竣工，屆時將形成一座空間“長城”，科學家可將電離層、中高層大氣、地磁環境盡收眼底，使得我國空間環境地基探測能力在世界上處于領先水平。

　　重器·多模態跨尺度生物醫學成像設施

　　主體結構封頂正在加速屋面施工

　　你知道嗎，人腦的神經網絡中有10億多個神經元，神經突觸達千億級。要想研究人腦，就得先探看得到數量龐大的神經突觸，這就離不開成像技術。在懷柔科學城，就有一座正在建設中的探測生命奧秘的利器——多模態跨尺度生物醫學成像設施。

多模態跨尺度生物醫學成像設施效果圖

　　多模態跨尺度生物醫學成像設施是《國家重大科技基礎設施建設“十三五”規劃》確定的十個優先建設項目之一，也是生物醫學成像領域由我國科學家首倡的大科學工程。項目總建筑面積7.2萬平方米，包含多模態醫學成像裝置、多模態活體細胞成像裝置、多模態高分辨分子成像裝置、全尺度圖像數據整合裝置等四大裝置及相關輔助平臺。

　　“通常來說，單一成像模態不能兼顧成像分辨率和成像視野及深度，而多模態跨尺度生物醫學成像設施就可以解決這個問題。”建設方北京大學成像設施指揮部辦公室副主任劉文建介紹，該設施將提供革命性的研究手段，對生命體結構與功能進行跨尺度可視化描繪與精確測量，進而破解生命與疾病的奧秘。

　　攻堅克難

　　施工潔凈度達萬級以上標準

　　建筑外形上方方正正的幾棟樓，看似普通，里面卻很有講究。“因為將來這里要放置許多醫學成像設施，所以需要在房間內加設一個核磁屏蔽層，就像給設施套上了‘保護罩’。”北京城建集團多模態項目總工路偉偉說。

　　對施工來說，多一個核磁屏蔽層代表至少多了三道工序，墻面和吊頂外要安裝一個3毫米厚的鉛板層，地面則要鋪裝一層0.3毫米厚的紫銅，“安裝中要求嚴絲合縫，平整度控制在毫米級。”

　　同時，由于總建筑面積25%的部分都屬于試驗室，施工中對潔凈度的要求非常之高，都達到萬級以上標準。“為這些高精密設備房，我們還量身定制了一套空氣系統。”路偉偉說。

　　最新進展

　　據了解，繼2020年12月底實現主體結構封頂后，工程目前已轉入二次結構及屋面工程施工階段，計劃今年9月底外飾面整體亮相，11月底裝飾裝修基本完成，明年8月實現土建工程竣工。多模態跨尺度生物醫學成像設施建成后，將為我國高端生物醫學影像儀器裝備及產業發展提供支撐，并在綜合能力上成為世界一流的生物醫學成像設施。

　　知多一點：

　　“工欲善其事，必先利其器。”要在基礎研究中不斷有原始創新，離不開自主研發的大科學裝置。“十三五”時期落地懷柔科學城的五個大科學裝置包括：綜合極端條件實驗裝置、地球系統數值模擬裝置、高能同步輻射光源、多模態跨尺度生物醫學成像設施，以及子午工程二期。

　　據北京市發改委披露，地球系統數值模擬裝置項目正在有序推動設備安裝，力爭于今年6月、比計劃工期提前近一年投入試運行。而綜合極端條件實驗裝置已完成土建工程竣工驗收，設備到貨率達到48%，現場設備調試達28%。

　　此外，在懷柔科學城布局的13個交叉研究平臺和11個科教基礎設施，也都實現開工建設。