2019年上海將建成世界級光子大科學裝置群

科學家們在這裡能夠利用x射線波段的光子，不僅可以探測研究物質的各種屬性，更為重要的是利用各種能量的光子可以實現功能動態分子水平上的分析和控制。

「利劍」即將出鞘。解放日報·上觀新聞記者獲悉，位於上海同步輻射光源（簡稱上海光源）園區的X射線自由電子激光試驗裝置正在抓緊調試，這個長近300米、寬約30米的裝置將於今年上半年飽和出光。

就在幾個月前，上海光源線站工程（上海光源二期）、上海超強超短激光實驗裝置、我國首台軟X射線自由電子激光用戶裝置、活細胞結構和功能成像平台啟動建設。這些項目在2019年建成後，加上已有的上海光源和國家蛋白質中心上海設施，將組成全球光子科學研究綜合能力最強的大科學設施集聚地之一，成為張江綜合性國家科學中心的科學地標。

基礎科學的創新和前沿問題的探索，離不開核心技術的突破。這一世界級光子大科學裝置群，是上海建設有國際影響力的科創中心的重要內涵，對於開拓研究領域、催生源頭創新、推動前沿突破起著至關重要的作用。

光子大科學裝置產生新的研究手段

人類的發展從來就離不開對「光」的利用和開發。我們平常說到「光」時，多指可見光。其實，「光」是一個很大的家族，依波長的不同，可分為無線電波、微波、紅外、可見光、紫外、真空紫外、軟X射線、硬X射線和伽馬（γ）射線等。探測宇宙，可以選用無線電波；跟蹤飛機，可以選用微波（雷達）；要「看清」病毒、蛋白質分子甚至金屬原子等微觀物體，必須選用與這些微觀物體大小相近或更短波長的光束，來探究未知的微觀世界。

上海光源的同步輻射光，被科學家稱之為繼電、X光和激光之後，為人類文明帶來革命性推動的新光源。其波長範圍寬，從遠紅外到硬X射線連續可調，可根據不同需要選取相應波長的光。

上海光源大廳一角。 海沙爾 攝

為什麼張江國家科學中心的大科學裝置群會集中在光子領域？因為科學家們在這裡能夠利用x射線波段的光子，不僅可以探測研究物質的各種屬性，更為重要的是利用各種能量的光子可以實現功能動態分子水平上的分析和控制。國外不乏這樣的例子，全球矚目的引力波，正是來自LIGO（激光干涉引力波觀測站），它是藉助激光干涉儀聆聽來自宇宙深處引力波的大型研究儀器；美國能源部依託阿貢先進光源等三大同步輻射裝置，解決了美國能源、材料和生物等領域許多前沿科學問題和關鍵技術。

從國際上的先進經驗來看，包括歐洲核子中心（CERN）在內的大科學裝置都有兩種以上的光子設施，從而可以滿足多領域不同的研究需求，最關鍵的是能夠產生新的研究手段。

不難想像，上海建成世界級的光子大科學裝置集群，不僅可以聚焦世界科技前沿探索科學未知，還可以聚焦國家戰略和重大需求，以蓬勃的科學原創力更好地推動產業和經濟發展。

上海光源是大科學裝置建設的成功範例

這並不是一個偶然。1999年7月，上海光源被確定落址張江高科技園區。一個月後，上海市委、市政府頒布了「聚焦張江」的戰略決策，上海將集中力量把張江高科技園區建設成技術創新的示範基地。

由中國科學院和上海市政府共同建設的上海光源於 2004 年 12 月正式開工，經過大規模技術攻關與系統集成，在 52 個月內完成了設備研製、工程建設和調試調束，於2009年5月正式對國內用戶開放試運行。大科學裝置的建設過程不同於房屋建造，其建設本身就是一個科研的過程。上海光源彙集並發展了高能加速器和高熱負載精密光學工程等新方法、新技術和新工藝，成功實現了世界第三代同步輻射光源眾多先進技術的高度集成。

「以世界同類裝置最少的投資和最快的建設速度，成為國際上性能指標領先的第三代同步輻射光源之一，是我國大科學裝置建設的一個成功範例。」這是 2010年1月19日上海光源順利通過國家驗收時得到的一致評價。

上海光源亦不負眾望，它猶如一台多用戶的超級顯微鏡，成為照亮微觀世界的「神奇之光」。「不管是從用戶數量還是裝置性能來說，上海光源不僅領跑全國，同時也處於國際上同類裝置的第一方陣。」中科院上海應用物理研究所所長趙振堂說。截至2016年底，上海光源已執行通過專家評審的課題申請8638個，累計為用戶提供實驗機時超過22.9萬小時，用戶遍布全國422家單位，涵蓋結構生物學、凝聚態物理、化學、化工、材料科學、能源、環境、醫學和藥學等十幾個學科領域。藉助上海光源，中科院大連化學物理研究所包信和院士團隊探索出天然氣直接轉化利用的有效方法；中科院微生物研究所高福課題組從分子水平闡釋了一種新的病毒膜融合激發機制，加深了人們對埃博拉病毒入侵機制的認識；中科院物理研究所丁洪研究員成功發現隱藏了80餘年的「幽靈粒子」外爾費米子，榮登歐洲2015年《物理世界》「十大突破」等等。

舉全市之力建一批光子大科學裝置

「作為張江綜合性國家科學中心的重要組成，光子大科學裝置集群的建設可謂水到渠成。」市科委基地處有關負責人說，上海光源建成後出了很多原創科技成果。如何更好地集聚張江科技資源，舉全市之力建一批光子大科學裝置，成為了上海高瞻遠矚的一次部署。

上海光源現有13條光束線站投入運行、2條即將試運行，上海光源二期的目標是在原有裝置基礎上新建16條光束線站，全面提升上海光源的實驗研究能力。預計到2020年，上海光源將有近40條線站建成並向用戶開放，屆時每年將有近萬名科研工作者利用該裝置開展前沿和應用研究。

超強超短激光是已知的最高光強光源，為人類提供了前所未有的極端物理條件與全新實驗手段，自然界中只有在恆星內部或黑洞邊緣才能找到的極端條件已有可能在實驗室內創造。如果說激光放大技術是一座高峰，把脈衝時間壓縮到趨於無窮小則是一座更高的險峰。近年來，中科院上海光機所在超強超短激光研究方面一直處於世界領先地位，2013年研製成功了當時國際最高峰值功率2拍瓦的激光放大系統。2015年，中科院上海光機所-上海科技大學超強激光光源聯合實驗室在張江正式組建。就在去年8月，科研團隊解決了激光放大和脈衝壓縮的關鍵技術問題，實現了5拍瓦激光脈衝輸出，在激烈的國際競爭中繼續保持「領跑」優勢，並有望今年年底實現10拍瓦激光輸出。據了解，這一項目預計在2018年底將首批建成極端條件材料科學研究平台、超快亞原子物理研究平台、超快化學與大分子動力學研究平台等3個用戶實驗終端，服務於物質科學與生命科學的研究。

圖為中科院上海光機所-上海科技大學超強激光光源裝置。 趙侃 攝

去年11月，軟X射線自由電子激光用戶裝置、活細胞結構和功能成像平台正式開工建設。軟X射線有一個重要的波段被稱為「水窗」，是目前唯一可以對生物活體細胞進行無損傷三維全息成像和顯微成像的「第四代光源」，由於成像時間精度達到飛秒級，它拍攝到的不是生物分子「照片」，而是「視頻」。活細胞成像平台就是利用「水窗」波段，以納米級解析度、飛秒級速度探測細胞奧秘。

過去，許多科學家耗費數年才解析一個蛋白質分子結構，如今為蛋白質分子拍一張照只需0.1秒，看清一個蛋白質結構，不再以年為計時單位，最短只需2分30秒。作為當今全球生命科學領域首家綜合性大科學裝置，國家蛋白質科學中心（上海）設施2014年5月開放試運行。截至2017年2月，上海設施已吸引中科院兄弟院所、國內高等院校、國際醫藥企業等近200家單位，以及來自美國、法國、西班牙等地的13000多人次優秀科學家，進行了2000多項重大前沿創新課題的研究。

高通量克隆構建實驗室，一天可完成960個蛋白質基因的克隆。 黃海華 攝

題圖來源：中科院應用物理研究所 圖片編輯：曹立媛

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