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探秘占地300畝的

“超級(jí)顯微鏡”

編者按在黨的堅(jiān)強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)下，我國(guó)科技事業(yè)櫛風(fēng)沐雨、砥礪前行，取得了舉世矚目的成就?！版隙稹薄氨倍贰钡取皣?guó)之重器”紛紛亮相；量子信息、移動(dòng)通信等前沿領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大突破；雜交水稻、高速鐵路等高新技術(shù)惠及社會(huì)民生改善……諸多領(lǐng)域涌現(xiàn)出標(biāo)志性原創(chuàng)成果，科技與經(jīng)濟(jì)社會(huì)深度融合，支撐引領(lǐng)高質(zhì)量發(fā)展。在中國(guó)共產(chǎn)黨迎來百年華誕之際，推出“奮斗百年路啟航新征程·大國(guó)重器”系列專版，回顧一代代科技工作者艱苦奮進(jìn)、勇攀高峰的創(chuàng)新故事，展現(xiàn)科技領(lǐng)域取得的標(biāo)志性成就和寶貴經(jīng)驗(yàn)。從新的歷史起點(diǎn)再出發(fā)，我國(guó)科技事業(yè)定能乘勢(shì)而上，書寫更加恢弘的科技自立自強(qiáng)新篇章。

坐落于上海張江科學(xué)城，外形酷似鸚鵡螺的上海同步輻射光源（以下簡(jiǎn)稱上海光源），歷時(shí)11年預(yù)研優(yōu)化、5年技術(shù)攻關(guān)建造，如今已穩(wěn)定高效運(yùn)行了12年。

從億年前的琥珀古鳥羽毛結(jié)構(gòu)，到埃博拉病毒入侵機(jī)制、新冠病毒蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，再到外爾費(fèi)米子世界重大物理實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，上海光源為科學(xué)家探索微觀世界照亮前行之路。12年來，上海光源不僅支撐產(chǎn)出了大批學(xué)科前沿研究成果，而且在國(guó)家戰(zhàn)略需求與重大應(yīng)用方面發(fā)揮著越來越重要的作用。

作為我國(guó)第三代同步輻射光源，上海光源的建設(shè)以及穩(wěn)定運(yùn)行凝聚了幾代科學(xué)家對(duì)我國(guó)粒子加速器建設(shè)躋身世界先進(jìn)行列的夢(mèng)想，體現(xiàn)了我國(guó)基礎(chǔ)科研領(lǐng)域面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國(guó)家重大需求、面向人民生命健康的重要?dú)v史使命。

艱難起步，我國(guó)粒子加速器從跟隨到趕超

上世紀(jì)80年代，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)、合肥同步輻射裝置、蘭州重離子加速器工程的建設(shè)奠定了我國(guó)建造大型粒子加速器的基礎(chǔ)。1993年，世界上第一臺(tái)第三代同步輻射光源開始用戶實(shí)驗(yàn)。

方守賢、丁大釗和冼鼎昌三位院士敏銳地意識(shí)到光源大科學(xué)裝置在未來國(guó)家基礎(chǔ)科研中即將發(fā)揮的重要作用，于1993年11月向國(guó)家提出“在我國(guó)建設(shè)第三代同步輻射光源”的建議。1995年3月，中國(guó)科學(xué)院和上海市決定共同向國(guó)家建議，由國(guó)家和地方聯(lián)合出資在上海建設(shè)我國(guó)第三代同步輻射光源。

作為國(guó)之重器，大科學(xué)裝置耗資不菲，而且難以在短時(shí)間內(nèi)看到實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益。在上海光源項(xiàng)目預(yù)研階段，國(guó)家層面的決策也十分慎重。2001年，團(tuán)隊(duì)成員完成了預(yù)制研究，上海光源項(xiàng)目卻沒有成功立項(xiàng)。

此時(shí)，國(guó)際上第三代同步輻射裝置處于快速發(fā)展階段。“我們充分利用這段時(shí)間，將世界上加速器、光束線等領(lǐng)域新發(fā)展的先進(jìn)技術(shù)和設(shè)計(jì)思想及時(shí)融入優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。到了真正建設(shè)的時(shí)候，上海光源的設(shè)計(jì)性能得到了新的提升，保證了建成時(shí)步入世界先進(jìn)行列并達(dá)到一流水平。”中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院黨委書記、副院長(zhǎng)，中國(guó)工程院院士趙振堂表示。20多年來，他參與了上海光源的預(yù)研、建設(shè)、開放運(yùn)行和二期工程建設(shè)。

“老一輩科學(xué)家及中科院、上海政府領(lǐng)導(dǎo)非常堅(jiān)定，因?yàn)閲?guó)家的創(chuàng)新發(fā)展需要這樣的關(guān)鍵大科學(xué)裝置，他們鼓勵(lì)我們要對(duì)未來充滿信心。”趙振堂回憶，他的博士后工作合作導(dǎo)師方守賢院士也多次鼓勵(lì)他堅(jiān)定信心。

2004年11月，國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議終于批準(zhǔn)了上海光源工程建議書，該工程于同年12月正式動(dòng)工。

填補(bǔ)空白，大科學(xué)裝置前沿技術(shù)集成攻關(guān)

2001年完成預(yù)研，2004年破土動(dòng)工，2009年開放運(yùn)行……上海光源工程的不同階段，趙振堂的團(tuán)隊(duì)面臨著不同的難題：最先直面的是在投入和經(jīng)驗(yàn)積累都不足的條件下，如何建成一座世界一流水平的同步輻射光源。其次是有了光源后，作為公共性平臺(tái)設(shè)施，能不能保證國(guó)際先進(jìn)水平的運(yùn)行性能。

在工程預(yù)制研究階段，根據(jù)國(guó)際第三代同步輻射裝置的技術(shù)特點(diǎn)，工程指揮部主持研制了41項(xiàng)單元技術(shù)，其中22項(xiàng)為國(guó)內(nèi)首次研制，有26項(xiàng)設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。隨后，科研人員又開展了物理方案優(yōu)化和100MeV直線加速器研制等設(shè)計(jì)和預(yù)研工作。

據(jù)介紹，上海光源由一臺(tái)150MeV的直線加速器、全能量增強(qiáng)器和一臺(tái)3.5GeV電子儲(chǔ)存環(huán)組成，其中儲(chǔ)存環(huán)周長(zhǎng)約432米，直徑超過160米。這樣一個(gè)大型粒子加速器是集高科技、多專業(yè)、多門類的綜合性復(fù)雜系統(tǒng)，需要把世界先進(jìn)技術(shù)設(shè)備有機(jī)結(jié)合，這勢(shì)必會(huì)帶來集成創(chuàng)新難度。

“最困難的地方，是要盡可能把先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想和技術(shù)融入設(shè)施建設(shè)方案中，還要對(duì)先進(jìn)技術(shù)方案和性價(jià)比方面進(jìn)行綜合選擇取舍，掌握裝置所需加工周期、材料和制造費(fèi)用，使其在可控的時(shí)間、經(jīng)費(fèi)內(nèi)完成?！壁w振堂說。

第三代同步輻射光源的特點(diǎn)是光束高亮度，而且光的位置和發(fā)射角要高穩(wěn)定，光斑的抖動(dòng)要控制在零點(diǎn)幾個(gè)微米的水平上，這必須綜合考慮設(shè)施的地基、支撐、冷卻水流速、隧道溫度和冷卻水溫度穩(wěn)定性、環(huán)境振源以及周邊交通等各種因素帶來的振動(dòng)影響。

為保證裝置性能處于世界領(lǐng)先水平，上海光源團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了長(zhǎng)期技術(shù)攻關(guān)探索。例如，不斷進(jìn)行低發(fā)射度的儲(chǔ)存環(huán)優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析研判各種設(shè)備性能要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)，同時(shí)還要進(jìn)行關(guān)鍵核心元器件的技術(shù)研發(fā)。波蕩器是第三代同步輻射光源及自由電子激光的關(guān)鍵設(shè)備，束流要通過波蕩器內(nèi)部交替排列的磁塊才能發(fā)出高亮度的光。上海光源建設(shè)期間不僅自主研制成功了橢圓極化波蕩器，而且還攻克了真空波蕩器難關(guān)，這些工作均填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。

團(tuán)隊(duì)不斷開展高強(qiáng)度技術(shù)攻關(guān)，在我國(guó)首次研制出一臺(tái)臺(tái)滿足第三代同步輻射光源要求的波蕩器、雙橢圓極化波蕩器、特種電子軌跡橢圓極化波蕩器、多種自由電子激光波蕩器等，使得我國(guó)加速器光源的波蕩器技術(shù)處于國(guó)際先進(jìn)水平。

引領(lǐng)未來，凝聚和培養(yǎng)青年科技力量

2009年5月6日，剛剛竣工的上海光源迎來了第一批用戶，首批用戶包括中科院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所、上海交通大學(xué)、中科院高能物理研究所等單位的近20位用戶。

“用戶的問題始終是伴隨上海光源建設(shè)運(yùn)行的最大問題?！绷钰w振堂難以忘懷的是上海光源運(yùn)行開放后面臨的三大挑戰(zhàn)：上海光源能否長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠運(yùn)行，運(yùn)行性能處于什么水平？是否有足夠的用戶，用戶分布是否合理？可否產(chǎn)出足夠多的成果，成果水平和影響力如何？

讓趙振堂和他的團(tuán)隊(duì)深受鼓舞的是，上海光源開放運(yùn)行一年后，光源用戶第一篇《科學(xué)》文章就發(fā)表了。開放運(yùn)行12年后，上海光源用戶在《科學(xué)》《自然》《細(xì)胞》三大國(guó)際頂級(jí)刊物上發(fā)表的論文達(dá)到130篇。

如今，上海光源已經(jīng)成為科學(xué)家聚焦基礎(chǔ)前沿領(lǐng)域、解決重大科學(xué)問題的重要支撐，更成為上海建設(shè)具有全球影響力科創(chuàng)中心的一張靚麗名片。上海光源的定位也從自身建設(shè)運(yùn)行、性能提升，轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)家解決科學(xué)問題的科學(xué)研究高地。

上海光源的穩(wěn)定高效運(yùn)行與科研產(chǎn)出，讓人們看到了大科學(xué)裝置對(duì)科技成果的促進(jìn)作用。隨著國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)原創(chuàng)成果的重視，張江科學(xué)城迎來了建造大科學(xué)裝置集群的高潮。在上海光源的周圍，上海軟X射線自由電子激光裝置、上海硬X射線自由電子激光裝置等大科學(xué)裝置集群形成了具有重要國(guó)際影響力的光子科學(xué)中心。

可喜的是，一批活躍在世界前沿科學(xué)領(lǐng)域的青年科學(xué)家正在向這里集聚，上海光源正在成為凝聚和培養(yǎng)科學(xué)家人才的搖籃。

目前，上海光源線站工程正在加緊進(jìn)行，預(yù)計(jì)到2025年，上海光源將有35條光束線約50個(gè)實(shí)驗(yàn)站投入運(yùn)行。與此同時(shí)，世界范圍內(nèi)同步輻射光源大科學(xué)裝置建設(shè)依然勢(shì)頭不減，第四代同步輻射光源已經(jīng)開啟。面對(duì)新的機(jī)遇挑戰(zhàn)，趙振堂表示：“下一個(gè)十年將是上海光源黃金運(yùn)行開放時(shí)段，上海光源將持續(xù)產(chǎn)出重大成果，培養(yǎng)同步輻射骨干人才，研究新原理研發(fā)新技術(shù)，發(fā)展新一代同步輻射光源。”（王 春）