侯樹文 科技日報記者 王春
視頻制作：李忠明 何沛蓯 趙衛(wèi)華 設(shè)計：楊凱
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（以下簡稱上海光源），歷時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制、新冠病毒蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，再到外爾費米子世界重大物理實驗發(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。
作為我國第三代同步輻射光源，上海光源的建設(shè)以及穩(wěn)定運行凝聚了幾代科學(xué)家對我國粒子加速器建設(shè)躋身世界先進行列的夢想，體現(xiàn)了我國基礎(chǔ)科研領(lǐng)域面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康的重要歷史使命。
艱難起步，我國粒子加速器從跟隨到趕超
上世紀80年代，北京正負電子對撞機、合肥同步輻射裝置、蘭州重離子加速器工程的建設(shè)奠定了我國建造大型粒子加速器的基礎(chǔ)。1993年，世界上第一臺第三代同步輻射光源開始用戶實驗。
方守賢、丁大釗和冼鼎昌三位院士敏銳地意識到光源大科學(xué)裝置在未來國家基礎(chǔ)科研中即將發(fā)揮的重要作用，于1993年11月向國家提出“在我國建設(shè)第三代同步輻射光源”的建議。1995年3月，中國科學(xué)院和上海市決定共同向國家建議，由國家和地方聯(lián)合出資在上海建設(shè)我國第三代同步輻射光源。
作為國之重器，大科學(xué)裝置耗資不菲，而且難以在短時間內(nèi)看到實際經(jīng)濟效益。在上海光源項目預(yù)研階段，國家層面的決策也十分慎重。2001年，團隊成員完成了預(yù)制研究，上海光源項目卻沒有成功立項。
此時，國際上第三代同步輻射裝置處于快速發(fā)展階段?！拔覀兂浞掷眠@段時間，將世界上加速器、光束線等領(lǐng)域新發(fā)展的先進技術(shù)和設(shè)計思想及時融入優(yōu)化設(shè)計方案。到了真正建設(shè)的時候，上海光源的設(shè)計性能得到了新的提升，保證了建成時步入世界先進行列并達到一流水平?！敝袊茖W(xué)院上海高等研究院黨委書記、副院長，中國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)非常堅定，因為國家的創(chuàng)新發(fā)展需要這樣的關(guān)鍵大科學(xué)裝置，他們鼓勵我們要對未來充滿信心?！壁w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他堅定信心。
2004年11月，國務(wù)院常務(wù)會議終于批準了上海光源工程建議書，該工程于同年12月正式動工。
填補空白，大科學(xué)裝置前沿技術(shù)集成攻關(guān)
2001年完成預(yù)研，2004年破土動工，2009年開放運行……上海光源工程的不同階段，趙振堂的團隊面臨著不同的難題：最先直面的是在投入和經(jīng)驗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，作為公共性平臺設(shè)施，能不能保證國際先進水平的運行性能。
在工程預(yù)制研究階段，根據(jù)國際第三代同步輻射裝置的技術(shù)特點，工程指揮部主持研制了41項單元技術(shù)，其中22項為國內(nèi)首次研制，有26項設(shè)備的技術(shù)指標達到國際先進水平。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)計和預(yù)研工作。
據(jù)介紹，上海光源由一臺150MeV的直線加速器、全能量增強器和一臺3.5GeV電子儲存環(huán)組成，其中儲存環(huán)周長約432米，直徑超過160米。這樣一個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)，需要把世界先進技術(shù)設(shè)備有機結(jié)合，這勢必會帶來集成創(chuàng)新難度。
“最困難的地方，是要盡可能把先進的設(shè)計思想和技術(shù)融入設(shè)施建設(shè)方案中，還要對先進技術(shù)方案和性價比方面進行綜合選擇取舍，掌握裝置所需加工周期、材料和制造費用，使其在可控的時間、經(jīng)費內(nèi)完成。”趙振堂說。
第三代同步輻射光源的特點是光束高亮度，而且光的位置和發(fā)射角要高穩(wěn)定，光斑的抖動要控制在零點幾個微米的水平上，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影響。
為保證裝置性能處于世界領(lǐng)先水平，上海光源團隊進行了長期技術(shù)攻關(guān)探索。例如，不斷進行低發(fā)射度的儲存環(huán)優(yōu)化設(shè)計，分析研判各種設(shè)備性能要達到的技術(shù)指標，同時還要進行關(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)，這些工作均填補了國內(nèi)空白。
團隊不斷開展高強度技術(shù)攻關(guān)，在我國首次研制出一臺臺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，使得我國加速器光源的波蕩器技術(shù)處于國際先進水平。
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)運行的最大問題?！绷钰w振堂難以忘懷的是上海光源運行開放后面臨的三大挑戰(zhàn)：上海光源能否長期穩(wěn)定可靠運行，運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？
讓趙振堂和他的團隊深受鼓舞的是，上海光源開放運行一年后，光源用戶第一篇《科學(xué)》文章就發(fā)表了。開放運行12年后，上海光源用戶在《科學(xué)》《自然》《細胞》三大國際頂級刊物上發(fā)表的論文達到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)定高效運行與科研產(chǎn)出，讓人們看到了大科學(xué)裝置對科技成果的促進作用。隨著國家對基礎(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行，預(yù)計到2025年，上海光源將有35條光束線約50個實驗站投入運行。與此同時，世界范圍內(nèi)同步輻射光源大科學(xué)裝置建設(shè)依然勢頭不減，第四代同步輻射光源已經(jīng)開啟。面對新的機遇挑戰(zhàn)，趙振堂表示：“下一個十年將是上海光源黃金運行開放時段，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?！?/p>
