图中右侧的SPring-8呈直径为500米的圆形，SACLA为总长为700 米的直线设施。通过航拍照片可清楚地看到其全貌（供图：理化学研究所同步辐射科学研究中心）
日本国内有许多支撑着日本的科学研究、并取得世界级成果的巨型设施。实地采访了解这些设施的栏目——“科学大设施”首期内容，将介绍世界三大同步辐射设施之一的“SPring-8”和与其建在一起的X射线自由电子激光设施SACLA。这两个巨大设施由理化学研究所同步辐射研究中心管理，是旨在探究物质详细构造和现象等微观世界本质的公共设施。有许多大学、研究机构和公司都利用过这些设施，为科学研究和工业的进步做出了贡献。
在绿野中异样的甜甜圈建筑
在山阳新干线的相生站（兵库县相生市）下车，乘坐巴士爬坡30分钟，穿过一条长长的隧道后，车窗外的景色骤然一变，充满了绿植，让人不禁联想到近未来城市展现在眼前。这就是横跨兵库县辰野市、上郡镇和佐用镇的播磨科学公园城。
该地区秉持“人与自然、科学和谐共存的高次元功能性城市”理念，自1980年代开始进行开发，学校、研究设施和医疗机构鳞次栉比。而在其中大放异彩的则是SPring-8。这是一座围绕海拔341米的三原栗山而建的甜甜圈形建筑物，直径约500米，是东京巨蛋的 2.5 倍。一圈的长度约为1500米。
SPring-8从1997年开始运行，积累了丰富的实际应用经验。近年来，利用SPring-8通过非破坏性CT扫描，分析了日本小行星探测器“隼鸟2号”从小行星“龙宫”带回的样本，揭示了其内部结构和磁硫铁矿等矿物存在状况。揭示了这些矿物质形成于原始太阳系外缘的可能性，因而引起了广泛关注。
今年4月，福井县立大学宣布，把在日本发现的恐龙“福井龙”化石中残留的骨组织成功进行了可视化。这一成果同样是利用了SPring-8的非破坏性CT扫描。得到的结果与传统的将化石切成薄片并通过显微镜观察的方法不相上下。这种方法对于处理数量有限的珍贵标本非常有效。
这种在非破坏性分析中发挥威力的，是一种名为“同步辐射”的特殊光线。将SPring-8设计成甜甜圈状，也正是为了产生这种辐射。在SPring-8中，将电子加速到8千兆（一千兆等于十亿）电子伏特的巨大能量，并使几乎以光速运动的电子轨道在磁场的作用下发生弯曲，从而产生高强度的同步辐射。为使电子轨道呈圆环状设置了电磁铁，使电子能不断发出强大的同步辐射。
通过弯曲电子轨道而产生同步辐射
抑制热膨胀实现精密测量，有57条光束工作
同步辐射的波长范围很广，包括红外线、可见光、紫外线、X射线、伽马射线，而SPring-8主要利用X射线来捕捉各种物质的形态。这些X射线比医疗检查中所使用的X射线强1000多万倍，能使人看到用显微镜都无法观测到的纳米级微观结构（一纳米约十亿分之一米）。
进入SPring-8内部，大量的仪器映入眼帘。被称为实验大厅的区域在圆形内外侧都有墙壁，但圆周方向没有墙壁，因此望向远处，可以清楚地看出建筑物是弯曲的。为了在大型设施中进行精密测量，这座建筑能尽量减少炎热天气下产生的热膨胀和湿度引起的变化。
走廊上的绿线形成凹槽，将外侧和内侧隔开。由于同步辐射的角度若稍有偏差就会影响实验，因此该建筑物设计成了即使受热而膨胀也不会影响到内部的状态
实验大厅没有大面积的墙壁，取而代之的是一些方形房间。这些房间被用作实验室，各个房间都可导入同步辐射。研究人员在这些房间里安装实验设备，并根据各自的目的开展实验。
机器人在实验设备中也发挥着积极作用（左）。因为设施面积宽广，工作人员骑自行车移动（右）
SPring-8中目前有57条光束线在工作，可同时进行最多57种实验。这有助于推动生命科学、环境与能源、新材料的发等各个领域的研究。
对开发高性能轮胎和维护基础设施也有用
实验大厅的内侧墙壁有一米厚，墙壁内设置有由环形真空密室和电磁铁组成的存储环。这些存储环正是SPring-8的主体。
由铝合金制成的真空密封室内部呈空心状，加速到99.9999998%光速的电子可以通过它。电子数量约为100亿个。这些电子被聚焦成光束，沿着周长1436米的存储环，以每秒20万回的频率做圆周运动。通过这种方式，就能产生极其强烈的同步辐射。
同步辐射由系统管理室持续监控
许多民营企业都利用过SPring-8。其中典型的例子就是高性能轮胎的开发。在住友橡胶工业公司和东京大学的一项合作研究中，利用X射线详细分析了轮胎的内部结构。通过改进这种内部结构，开发出了与传统轮胎相比滚动阻力降低39%、燃油效率提高6%的轮胎，并实现了商品化。
此外，X射线CT能够从不同角度拍摄X射线图像，并将获得的图像通过计算机处理转换为3D图像，其精确度是医用X射线的1000倍。例如将高速公路整修期间采集到的样本利用X射线CT进行拍摄，详细分析高速公路的老化情况，然后在超级计算机“富岳”上进行模拟后，便能促进尽早进行维护修补等，所以SPring-8在基建的维护和管理上也发挥了作用。
捕捉原子和分子的瞬间现象
在SPring-8旁边有一座700米长的细长建筑，内部安装有自2012年3月开始运行的X射线自由电子激光器SACLA。700米相当于约7个足球场纵向连接起来的长度，站在设施的一端，一眼望不到尽头。
与SPring-8一样，建筑内也有很多设备。沿着墙壁望去，可以看到名为加速管的长管道沿着大楼延伸向远方。在加速管内，由电子枪设备产生的高质量电子束被高效加速到光速的99.9999998%。
SACLA的构造。在实验大楼的尽头，还有一座与SPring-8共同利用的实验设施（供图：理化学研究所同步辐射科学研究中心）
总长为700米的建筑中，加速器大楼占据了400米。交通工具也是自行车，但这里使用的是三轮自行车。
加速器的端部有墙壁，电子通过的管道一直延伸到墙外。前方还有一排装有大量磁铁，被称作调节器的装置。加速后的电子束在这个装置中多次蜿蜒蛇行后，形成X射线激光束。SACLA产生的同步辐射比SPring-8明亮十亿倍。
此外，由于能以100兆分之一秒的极短闪光进行观测，因此即使是快速移动的原子和分子也能不模糊地拍摄到。通过将这些闪光拍摄图像拼接组合在一起，则可将瞬时现象记录为视频，甚至可以捕捉到迄今为止无法观察到的化学反应过程中原子和分子的运动。
位于SACLA先端的实验研究大楼
发挥了SACLA上述特性的成果相当多。例如，捕获植物的光合作用，从分子层面阐明光合作用的机理，获得了实现人工光合作用的宝贵知识。还有通过研究燃料电池中水的运动，有助于开发出更小、更高效的燃料电池，推动氢能汽车的进步。
使用耗电量减半的SPring-8-II与数据科学相融合
将SACLA和SPring-8连接在一起，把SACLA产生的电子束发送给SPring-8。以前使用的是另外的光源和加速器，但从2021年起改为将经SACLA加速器加速后的电子束直接发送到SPring-8存储环的方式。
SACLA产生的电子束还被送往SPring-8（供图：理化学研究所同步辐射科学研究中心）
共用光源是为了节省能耗，但原因还不止这些。作为SPring-8后继者的SPring-8-II的重大升级计划也在考虑之中。在SPring-8投入使用四分之一世纪的今天，尽管它作为制造世界上最强X射线的观测设备在世界上仍然占有一席之地，但为了应对新时代的到来，更加密集小型化的SACLA电子束不可或缺。
热心讲解的研究中心主任石川先生
同步辐射科学研究中心主任石川哲也先生介绍了中心的设想：“SPring-8-II的目标是能耗降低一半，并产生比SPring-8亮100倍的X射线”。如果能将耗电量减半，就能既降低成本，同时还能减少二氧化碳的排放。
此外，SPring-8-II如果完成，便能将SPring-8需要三年左右的时间才能完成的实验在五天内完成。这将增加可使用该设施的团队数量，中小型企业也能更方便地使用该设施，从而进一步提高研究和制造的先进性。
石川先生认为，升级工程还将带来另一大好处。“这就是与数据科学的融合。通过详细分析大数据，有可能获得意想不到的科学见解”。
如果能利用SPring-8-II短时间内获取大量数据，通过与“富岳”等合作分析，则有可能进行高精度模拟，或者诞生新的科学研究。对此，石川坚定地表示：“我认为，科学研究的重要性在于帮助生活在社会中的人们提升幸福感。我们将切实完善和运用研究基础。”
日文：JST Science Portal 编辑部
中文：JST客观日本编辑部
【相关链接】
SPring-8 × SACLA 网站主页
关于参观SPring-8 × SACLA施設
日本文部科学省「量子束」网站
