當人類凝視宇宙的深邃，總渴望借助一束光穿透未知。大科學裝置正是這樣一束光——它照亮微觀粒子的精妙舞蹈，解碼生命起源的原始密碼，甚至讓轉(zhuǎn)瞬即逝的量子躍遷凝固成可供研究的“標本”。 此次，我們重磅推出《大國之“光”——中國大科學裝置巡禮系列報道》，以“光”為線索，走進這些中國大科學裝置的殿堂，聚焦激光與光源領(lǐng)域的核心設(shè)施，開啟一場跨越時空的“追光之旅”—— 從每秒振蕩萬億次的飛秒激光，到能穿透物質(zhì)骨骼的同步輻射光源，從捕捉“幽靈粒子”的地下迷宮，到再現(xiàn)太陽核心能量的超強激光裝置…… 在這里，我們將以全景視角展現(xiàn)這些科學利器的非凡魅力，揭秘這些“超級工具”如何解碼微觀世界、探索宇宙奧秘、賦能人類生活。 從南海之濱到燕山腳下，從地下實驗室到深空觀測站，中國大科學裝置集群正編織著一張立體的創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)。 這些被稱為“國之重器”的超級工具，不僅是衡量國家科技實力的標尺，更是人類探索自然奧秘的階梯。 當我們凝視這些照亮未知領(lǐng)域的“中國之光”，看到的不僅是科技實力的具象刻度，更是一個文明古國在創(chuàng)新長跑中重新定義領(lǐng)跑姿態(tài)的“精神光譜”。今日推出《大國之“光”——中國大科學裝置巡禮系列報道》之七上海硬X射線自由電子激光裝置： 原子世界的“超級顯微鏡”
在上海張江科學城地下30米深處，一條長達3.11公里的“地下巨龍”正悄然覺醒。這就是我國唯一、全球唯二的高重頻硬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（SHINE）。
這座總投資100億的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——從2018年開工到2024年隧道全線貫通，再到2025年即將實現(xiàn)首次出光，即將點亮人類觀測微觀世界的全新“燈塔”。
作為全球僅有的兩臺基于連續(xù)波超導(dǎo)加速技術(shù)的高重頻X射線激光裝置之一，SHINE的X射線峰值亮度將達到第三代同步輻射光源的十億倍，脈沖短至飛秒級（1秒的一千萬億分之一），使科學家得以拍攝原子運動的“分子電影”。
1 地下“巨龍”
上海硬X射線自由電子激光裝置是“十三五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)先啟動項目，由上?？萍即髮W牽頭，聯(lián)合中科院上海高等研究院、上海光學精密機械研究所共建，總投資約100億元，于2018年4月正式開工。
這座深埋地下29米的“地下科學城”，由直線加速器隧道、波蕩器隧道、光束線隧道構(gòu)成，總長3110米，相當于34個標準足球場首尾相連。這個裝置的核心建設(shè)內(nèi)容包括8GeV兆赫茲級高重頻超導(dǎo)直線加速器、3條覆蓋0.4-25千電子伏特光子能量的波蕩器線、3條光學束線及首批10個實驗站，可實現(xiàn)從單分子成像到極端光物理研究的全場景覆蓋。
2018年4月開工以來，建設(shè)團隊首先要攻克的是“地下迷宮”的施工難題：5個工作井需貫穿運營中的上海地鐵13號線，最近距離僅1.8米，垂直凈距3.6米——這是上海首次“三穿三”軌道穿越施工。為避免地鐵沉降，施工團隊采用“克泥效壓注”“環(huán)箍注漿”等技術(shù)，將13號線沉降控制在3毫米內(nèi)，堪稱“毫米級”的地下平衡術(shù)。
2022年12月，隨著1至5號工作井隧道全線貫通，SHINE的“骨架”初現(xiàn)；2024年，注入器甚高頻電子槍完成集成并順利出束，標志著電子束源頭被打通；同年，3套2K低溫工廠成功降溫至-271.15℃（接近絕對零度），為超導(dǎo)加速模組提供“極寒動力”。
如今，隧道內(nèi)設(shè)備安裝已進入尾聲，5個工作井中，1至4號井及基地全面進入工藝設(shè)備安裝階段，5號井正進行公用設(shè)施收尾——這座“地下巨龍”正以肉眼可見的速度“蘇醒”。
2 “光劍出鞘”
2025年，SHINE將迎來激動人心的“出光”時刻——計劃年內(nèi)實現(xiàn)超導(dǎo)直線加速器調(diào)試與首次自由電子激光放大“出光”。
屆時，當8GeV高能電子束在超導(dǎo)加速器中被加速至接近光速，進入波蕩器后在周期性磁場中“舞動”，產(chǎn)生波長短至0.05納米的硬X射線激光脈沖，其峰值亮度預(yù)計達10^17光子/秒/平方毫米，比第三代同步輻射光源高10億倍，脈沖寬度壓縮至飛秒級（1秒的千萬億分之一）。
這束光不僅將驗證裝置設(shè)計的科學性，更將為后續(xù)實驗站提供“分子電影”級的觀測能力——從捕捉電池材料中的鋰離子遷移，到解析蛋白質(zhì)動態(tài)構(gòu)象，一切超快過程都將無所遁形。
這一過程被科學家比喻為“用激光筆照亮原子世界”，標志著我國正式邁入“硬X射線自由電子激光俱樂部”。
3 極致之光
據(jù)介紹，SHINE的獨特性在于“雙會聚”能力——既是國際最高重頻的硬X射線自由電子激光，又能與超強超短激光深度耦合。這一設(shè)計使其成為全球唯一能同時輸出硬X射線與極端光場的平臺，為研究物質(zhì)在極端條件下的行為提供“雙視角”。
值得一提的是，這個裝置的性能參數(shù)堪稱硬核：光子能量覆蓋0.4-25keV，可探測接近原子尺度的結(jié)構(gòu)；單脈沖能量達毫焦耳級，足以激發(fā)材料中的非線性效應(yīng)；高相干性則確保衍射圖案的精度達到埃級（10^-10米）。
更關(guān)鍵的是，SHINE采用模塊化設(shè)計，3條波蕩器線與10個實驗站可靈活切換，滿足從單分子成像到極端光物理的多元需求。正如該項目團隊成員所言：“這不是一臺裝置，而是一個跨學科的科研生態(tài)系統(tǒng)?！?/p>
4 科學革命
事實上，SHINE的意義遠超一臺科研工具——SHINE的硬X射線如同打開微觀宇宙的鑰匙，將催生多學科顛覆性突破。
在科學研究層面，它將為材料科學提供“原子級顯微鏡”，揭示高溫超導(dǎo)體的量子糾纏機制；在生命科學中，可動態(tài)追蹤蛋白質(zhì)折疊過程，加速靶向藥物研發(fā)；在能源領(lǐng)域，更能解析光催化反應(yīng)中的電荷轉(zhuǎn)移路徑，推動清潔能源技術(shù)突破。
從技術(shù)層面來看，SHINE帶動了超導(dǎo)技術(shù)、精密加工、低溫工程等領(lǐng)域的自主創(chuàng)新。例如，我國成為第二個掌握常溫射頻連續(xù)波電子槍技術(shù)的國家，相關(guān)技術(shù)已應(yīng)用于半導(dǎo)體設(shè)備國產(chǎn)化。
更深遠的影響在于，SHINE與上海光源、軟X射線裝置等組成世界級光子科學集群，使中國與美歐形成三足鼎立格局。
未來，當全球頂尖的科學家匯聚上海張江，這里不僅將成為“光子科學的麥加”，更將重塑中國在國際科研規(guī)則制定中的話語權(quán)。
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