上海光源: 探索微观世界的明灯

你知道巧克力为什么好吃吗？这是因为巧克力中的可可油拥有6 种不同的晶体，而好吃的那种巧克力的晶体结构非常独特。那么， 怎样才能探测巧克力的晶体结构呢，这就需要用到同步光源。而上海光源正是提供这种同步光源的大型光学实验室。

从亿年前的琥珀古鸟羽毛结构，到埃博拉病毒入侵机制、新冠病毒蛋白质结构，再到外尔费米子世界重大物理实验发现，上海光源为科学家探索微观世界照亮了前行之路。

一座银灰色建筑坐落在上海张江，占地20多万平方米，外观犹如一只巨型鹦鹉螺，宏伟壮观，未来感十足，这里就是上海光源。

1993年，正值我国拟订“九五”计划之时，方守贤、丁大钊、冼鼎昌三位院士根据国际上的发展趋势和我国科学研究的需求，提出了“在中国建立一台第三代同步辐射光源”的建议。当时的科学界均对于“造光”这件事万分期待。经过10多年的前期设计和预制研究，上海光源于2004年12月25日破土动工，2009年5月6日正式开放运行。

作为国之重器，大科学装置耗资不菲，而且难以在短时间内看到实际经济效益。那么，我国究竟为什么要投入巨大的财力、物力，去兴建这样一座巨大的光学工程呢？

上海光源“不见光”

从字面上看，“上海光源”似乎是一个与照明有关的工程，其实这一理解与它的实际意义南辕北辙。这里需要搬出“上海光源”的学名——上海同步辐射光源（Shanghai Synchrotron Radiation Facility，简写为SSRF）来说一说。

电磁场理论早就预言：在真空中以接近光速运动的具有相对论效应的带电粒子，在二极磁场作用下偏转时，会沿着偏转轨道的切线方向，发射连续谱的电磁波。1947年，人类在同步加速器上首次观测到了这种电磁波，所以将其命名为“同步辐射”“同步辐射光”，并称产生和利用同步辐射光的装置为“同步辐射装置”“同步辐射光源”。

由此可见，上海光源并非用来制造我们肉眼可见的光，而是制造不同波长的电磁波：从远红外线到硬X射线（X射线中波长较短的一种）。与可见光相比，这些看不见的光波长更短、能量更高，“照射”到样品上时，会产生衍射、散射、折射、透射、吸收等现象，从而带来超强的微观洞察力。科学家正是借助这些现象，利用同步辐射光来探索未知世界。也因其一系列独特而优异的性能，同步辐射光被科学家称为继电光源、X 光源、激光光源之后，第4次为人类文明带来革命性推动的新光源。

同步辐射光源根据加速器中电子的能量，可以分为低能、中能、高能三种。其中低能光源侧重于功能研究，比如化学反应、超导电性、磁性等；中、高能光源侧重于结构研究，可用于观察单晶生长、蛋白质分子结构、航空发动机单晶叶片的结构缺陷等。

一直以来，我国都很重视同步辐射光源的发展建设，迄今已在大陆地区发展建设了三代同步辐射装置（中国台湾地区现有台湾光源和台湾光子源2台同步辐射装置，均为第三代光源）。第一代是以高能物理实验为主的兼用光源，即1989年依托北京正负电子对撞机建成的北京同步辐射装置；第二代是同步辐射专用光源，光源能量较低，即1990年建成的合肥光源；第三代也是同步辐射专用光源，光源能量更高，即2009年建成的上海光源。目前在世界范围内，第三代是同步辐射光源的主流，上海光源便是其中性能最好的光源之一。

微观世界的探照灯

同步辐射光源，是一盏人类通向微观世界的指路明灯。在上海张江的绿野上，这盏灯正在24小时运行，无数电子束以接近光的速度，在这座硕大的圆形装置中疾驰，将一束束不同波长的高品质同步辐射光，通过光束线最终照射在各个实验站的样品上。运用光与物质相互作用的科学原理，科学家可以在分子和原子尺度上观察微观物质世界。

无论是在科学界还是工业界，无论是在生命科学、材料科学、环境科学、信息科学、凝聚态物理、原子分子物理、团簇物理、化学、医学、药学、地质学等的前沿基础研究领域，还是在微电子、医药、石油、化工、生物工程、医疗诊断、微加工等的高技术开发应用领域，上海光源都有着广泛的应用价值，是不可替代的先进实验平台。

举例来说，人们用普通光源只能看到物体表面，X 射线强大的穿透力能够探测物体的内部结构，给人类的视野带来革命性变化。但后来，生命科学迈入了分子水平，传统的X光医学成像毫米级的分辨率已不能满足要求。上海光源成像站提供的静态分辨率可达0.8微米——比1/1000毫米还小，足以在原子和分子的层次上研究物质的内部结构，无疑进一步开阔了医学观测的视野。

同步辐射光源的另一个显著应用前景是在微电子机械系统领域。在微细加工技术中，人们利用同步辐射X 射线深度光刻技术，已经研制出微型传感器、微型光电部件、微型马达、微电子开关等。随着集成电路的集成度越来越高，对尺寸在几十纳米及以下的集成电路，同步辐射光刻技术将可能成为最主要的光刻手段。

上海光源面向国内外用户开放，也促进了材料科学领域的研究。石墨烯的发现获得诺贝尔物理学奖之后，各国都在研究它的产业化应用。在我国，依靠上海光源对石墨烯的研究，杭州已经建成年产10吨的石墨烯生产基地。此外，上海光源在甲烷高效转化，单原子催化，超级钢、碳纤维等高性能材料的研究方面，帮助大量研究者解决了许多基本问题，促进了科学的进步和技术的应用。

在环境科学、生物醫学、地质考古等诸多领域，我国科学家利用上海光源开展了多方面、有特色的研究工作，包括毒性元素与化合物在植物中的输运过程与毒性机理、水污染治理中悬浮颗粒携氧机制、心脑血管与肿瘤医学成像、古生物胚胎化石分化研究等，有力地推动了相关学科的发展。

如今，上海光源已经开放试运行13年，为科技创新提供了难得的尖端研究手段，支撑我国科学家在诸多学科领域创新突破，在包括蛋白质结构与功能、超导材料、石墨烯研究、水污染治理等多个重大国计民生领域贡献力量，现已成为推动我国航空航天、生物医药、能源环境、新材料研究等领域开展世界前沿科技探索的重要引擎。

大材“小”用改变生活

以上这些听起来似乎高深莫测，离普通百姓的生活很遥远，其实不然。在世界范围内，同步辐射光源已给人们的生活带来了诸多意想不到的变化，很多就发生在我们身边的细微之处。

以巧克力为例，巧克力中的可可油拥有6种不同的晶体，而口感特别好的巧克力晶体结构非常独特。国际巧克力生产巨头已能用同步辐射光源探测巧克力的晶体结构，帮助生产更美味的巧克力。从这一点上来说，上海光源工程将给中国食品工业带来新的发展视野。再比如音乐爱好者青睐的ipod等高端数字播放器，ipod磁盘中含有上千个微小的磁场，依靠同步加速器，才能生产出超小型的ipod、提供更多储存音乐的空间。

在航空安全性方面，同步辐射光源也发挥着重要作用。金属和巧克力一样，也具有独特的晶体结构，当金属被腐蚀，其晶体结构就发生了改变。通过同步辐射光源拍摄出执行定期航线的飞机金属中的晶体结构，就能知道金属是否已被腐蚀了，这样就可以让有安全隐患的飞机停止飞行。

在对抗病毒方面，上海光源能够解析禽流感、埃博拉、寨卡和新冠等病毒的病毒结构和入侵机理，在筛选抗病毒药物与抗体，以及支持新冠疫苗研制等方面也取得了多项成果。

开放运行13年，用户最多、用户产出成果最多的大国重器

上海光源作为大科学设施， 面向基础研究、应用研究、高新技术开发研究各领域的用户开放。从2009年5月6日起，除去集中维护检修期，上海光源每年向用户供光4000～5000小时，是我国用户最多、用户产出成果最多的大科学装置。所有用户均可通过申请、审查、批准程序获得上海光源实验机时。

上海光源科学中心主任、X射线自由电子激光试验装置项目首席科学家、中国科学院上海高等研究院副院长赵振堂在接受《国家科学评论》（National Science Review ，简写为NSR）杂志访问时介绍，截至2021年年底，上海光源已服务来自全国各地3100多个研究组的34000多名用户，其中一半左右来自高校，30% 左右来自科研机构，13% 左右来自企业、7% 左右来自医院。在中科院的所有院所中，大约80% 的研究所都有科研人员来上海光源做过实验。从学科分布上看，生物学和生命科学的用户占25% 左右，化学、材料、能源等领域的用户也很多。这些用户已在上海光源总计完成了15 000项课题研究，产出了许多科技成果。

上海光源开放的过程，同时也是培养国内同步辐射生力军的过程。在它的3万多名用户中，包括院士、9 7 3计划首席科学家等杰出人才，以及大批优秀中青年人才和大量青年学生。他们利用上海光源取得了令人瞩目的成就：一项成果入选美国《科学》十大科学突破，一项成果入选欧洲《物理世界》十大科学突破，一项成果入选美国物理学会标志性科研进展，一项成果入选美国化学会十大科研成果，9次入选年度中国科学十大进展，5次入选年度中国十大科技进展……

在此过程中，上海光源的后续建设也在不断推进。从最初运行时的7条光束线发展为现在的23条束线、34个实验站向用户开放。预计到2025年，将会有35条束线、50个实验站投入用户实验运行。从2022年开始的5～10年时间，将会是上海光源运行和成果产出的黄金时期。

质量一流，速度少见，建设过程也是科研攻关过程

上海光源是极其复杂的大科学工程，包含众多光学、电子学系统和先进技术，部件研制及系统集成难度极高，工程的设计、建设难度也不可谓不大。

中国科学院上海高等研究院党委书记、副院长，中国工程院院士赵振堂参与了上海光源的预研、建设、开放运行和二期工程建设。2001年完成预研，2004年破土动工，2009年开放运行……上海光源工程的不同阶段，赵振堂的团队都面临着不同难题：在投入和经验积累都不足的条件下，如何建成一座世界一流水平的同步辐射光源？有了光源后，作為公共性平台设施，能不能保证国际先进水平的运行性能？

这样一台大型粒子加速器，一个集高科技、多专业、多门类的综合性复杂系统，需要把世界先进的技术设备有机结合，势必会带来很大的集成创新难度。“最困难的地方，是要尽可能把先进的设计思想和技术融入设施建设方案中，还要对先进技术方案和性价比方面进行综合选择取舍，掌握装置所需加工周期、材料和制造费用，使其在可控的时间、经费内完成。”赵振堂这样说。

为此，上海光源工程团队进行了长期技术攻关探索。比如，光源的核心设备之一——真空内波荡器，此前国内从未研制过，“我们把订单下给了一家外国公司，谁料这家公司忽然提出要到2009年6月以后才能交货”，中科院上海应用物理研究所办公室主任贺战军回忆，为了赶上工期，科研人员紧急启动自主研发，仅用了11个月就研制成功国内第一台真空内波荡器，主要性能达到国际先进水平。

这样的事例还有很多。在工程的实施过程中，科研人员需要不断分析研判各种设备性能要达到的技术指标，还要进行关键核心元器件的技术研发，先后攻克了加速器、光束线等众多关键技术难题。事实证明，大科学工程建设的过程，也是集智攻关的过程。通过引进消化吸收和自主创新研制，上海光源的建设实现了科技实力和工业技术的高水平集成创新，取得了多项国际领先、国际先进、国内首创的自主研制设备及其技术成果，自主研制的设备超过70%，在国际上同类第三代同步辐射光源中性价比最好。

最终，上海光源在52个月的时间内完成了设备研制、工程建设和调试调束，顺利投入试运行。工程科技委评价其“质量一流，速度世界少见”。上海光源的建成，不仅表明我国在建设大科学工程实验装置方面，具备了高水平的自主创新和技术集成能力，已经进入了国际先进行列，而且将直接带动我国现代高性能加速器、先进电工技术、超高真空技术、高精密机械加工、X 射线光学、快电子学、超大系统自动控制技术以及高稳定建筑等先进技术和工业的发展，并对我国的科技进步、经济发展、资源开发、环境保护、人口与健康等方面产生广泛而深远的影响。

居安思危不掉队，立足国家长远发展，面向世界科技前沿

上海光源如火如荼发展的同时，在世界范围内，同步辐射光源大科学装置的建设依然势头不减，第四代同步辐射光源建设已经开启。面对新的机遇和挑战，上海光源正进入“从单一装置向集群发展”的新阶段——在张江科学城，一个全球规模最大、种类最全、综合能力最强的光子大科学设施集群正在加速形成。

与我国在北京怀柔、合肥、深圳等地正在建设的大科学设施集群相比，上海张江的集群有一个特点，就是科学设施之间有更紧密的内在联系——上海光源、超强超短激光装置、软X 射线自由电子激光装置、硬X 射线自由电子激光装置等，都是以光子为核心的不同领域的大规模设施，且设施之间互有补充。赵振堂表示，在将来，我们还希望把自由电子激光和同步辐射光源的技术结合起来，把上海光源升级为相干的同步辐射光源。也有人把这样的光源称“第五代光源”。

可以预见的是，张江科学城正在以世界三大光子科学中心为目标，打造跨学科、综合性、多功能的大科学研究平台，一流设施和一流科学家将在这里碰撞出科技火花，产出更多重大创新成果。

本文内容综合自中华人百家号、上海同步辐射光源网、光明日报、国家科学评论、知识分子、上海科技、新华社、中国工程科技知识中心网、科学时报、浦东时报