追逐原始创新之“光”_宏观

在怀柔雁栖湖畔，一个周长1.36千米的“放大镜”形建筑占据了967亩的区域，约90个足球场大小。2023年3月14日，这里刚刚成功加速了装置的第一束电子束，向产生世界“最亮的光”又迈进了一步。

从星辰大海到生命演化，人类对未知领域的探索离不开大科学设施。在怀柔科学城，一座座“大国重器”正在落成。其中，这个被称为“探测微观世界利器”的“放大镜”，格外引人注目。这将是我国第一台高能同步辐射光源，也将成为世界上亮度最高的第四代同步辐射光源之一。

(资料图片)

十年磨一剑。一群“追光的人”，等待世界最“亮”的同步光。

填补空白的“追光人”

“为这一束电子，我们等了约十五年。”中国科学院高能物理所高能同步辐射光源加速器部副主任李京祎感慨。

光，照亮了物质世界。李京祎和同事，是一群“追光的人”。

上世纪40年代末，科学界发现：就像雨中快速转动的雨伞，伞边缘切线方向会飞出一簇簇水珠一样，当高能电子束团被强迫在环形同步加速器上以接近于光速做回旋运动时，也会在切线方向发射出电磁波，这就是同步辐射光。

与常规光源相比，同步辐射光亮度高、覆盖频谱宽，就像是超级X光机，人们可以借助它观察到物质的微观结构。自此，世界各国开始了建设同步辐射装置来构建光源的“竞赛”。

北京是我国第一个大科学设施的诞生地。

玉泉路旁，北京正负电子对撞机“一机两用”，进行着正负电子的高能对撞。1988年至今，依托对撞机和北京同步辐射装置，我国科研人员已产出一系列世界级科研成果，世界上第一个SARS冠状病毒主蛋白酶蛋白质的晶体结构就在此得到解析。

而为了“看”到纳米级的物质结构，放眼世界，发射度更小、亮度更高、分辨率更高的新一代光源建设从未停步。一步慢，步步慢，时不我待。这是我国高能物理研究者的信念——要建一台高能光源，填补空白。

时针转回2008年。这群“追光人”开始对建设高能同步辐射光源的必要性和可行性进行论证，历经近10年攻关，验证了技术路径的可行性，完成了装置的概念和工程设计。高能光源选址，则定在了北京怀柔科学城。

2019年6月，高能同步辐射光源破土动工，争分夺秒成为每位建设者的信条。工程指挥部成员的办公室墙上，挂着一份工程建设零级进度计划图，宏大的工程被细致分解为82步，成为52个分系统人员的“指挥棒”。一个个时间节点稳步推进的背后，是参与者废寝忘食忙碌的身影。

自主创新啃下“硬骨头”

要造出第四代高能同步辐射光源，点亮最“亮”的同步光，物理和硬件技术上要啃的“硬骨头”一个接一个。

“其实，每一个大科学设施的建设，必然会遇到难题，这是避不开的，只能面对它们，并且解决它们。”李京祎说。

施工刚刚起步，一项地基施工的指标就让建设者们直呼“不可能”——防微振动控制目标要小于25纳米，即要实现结构“零沉降”。纳米，这个从未出现在建筑规范中的单位，却是未来光源实验精度的重要保障。装置建设团队反复试验，用4个月里无数次失败最终换来了答案：他们将光源储存环隧道及实验大厅地基用厚达3米的素混凝土进行基础换填，保障光源地基稳如磐石。

大装置里面的“小家伙”也难关重重。

光源直线加速器是电子的源头和第一级加速器，电子束要通过它加速到0.5吉电子伏特的高能量。这其中的关键部件之一，就是提供能量的微波功率源。虽然北京正负电子对撞机上也有类似的设备，但其安装的是基于老式人工线型调制器的功率源，高能同步辐射光源决定搭配“升级款”的固态调制器。

不过，“升级款”的固态调制器，全世界仅有一家企业有成熟产品，且价格十分昂贵。“我们下了决心，一定要自己研制出来。”李京祎语气坚定。

团队成员从理论模型的建立开始，反复分析优化，并不断钻研优化变压器绕线和整机集成工艺。“高压脉冲变压器是固态调制器的核心技术，不同的走线、缠绕方式，都会影响到产品的性能。我们前后钻研了3年，迭代了6个版本，实现了设计指标。”

最终，当固态调制器“就位”于光源现场，一项项测试数据在屏幕上跳动，均达到“满分”标准。这是代级的跃变！

期待“世界最亮”的光

历时近4年建设，曾经的荒草地上已经“长”出了三栋主体建筑，最大的圆环状建筑便是光源的核心。

“在光源的建设过程中，北京市、怀柔区和怀柔科学城都给了我们很大的支持，全方位保驾护航，为‘大国重器’连通了‘生命线’。”李京祎说起，2022年冬天，是光源主体建筑封顶、科研设备启动安装的首个冬天。由于科研设备的准直精度普遍在10微米量级，环境温度的细微变化，都会导致设备准直精度下降。以储存环为例，其环境温度必须保持在正负0.1摄氏度范围内，才能保证磁铁等设备的就位精度。

面对如此严苛的需求，怀柔区迅速协调，及时解决了光源装置区的水、电、供暖等问题。“那个冬天，我们和光源的设备都感到特别温暖。”李京祎笑道。

今年3月，高能同步辐射光源直线加速器“满能量”出束，率先迎来“开门红”，每秒都有百亿量级的电子从电子枪“射”出，其中约90%的电子能顺利抵达末端，保证末端电荷量达到额定2.5纳库（1微库＝1000纳库）以上。这也意味着，这座“大国重器”进入科研设备安装、调束并行阶段，向产生世界最“亮”的同步光再迈进一步。预计到2025年，高能同步辐射光源将建成运行。

现在，光源最大的“环形加速跑道”——储存环的安装正在进行。光源投入运行后，储存环中电子束在奔跑的过程中，将产生高亮度的同步光，帮助科研人员“照亮”实验样品，更好地解析物质的微观结构及演变。

与储存环一墙之隔，便是未来供用户开展科学实验的实验站，大到飞机发动机、小到病毒蛋白质，都能在这里“体检”。

“基础研究是科技发展的基石，我们期待光源的第一束光尽快到来！”李京祎说。

【创新密码】

用“大装置”聚集天下英才

多模态跨尺度生物医学成像设施工程竣工，将实现高端生物医学影像仪器装备的“中国创造”；我国首个具有自主知识产权的地球系统数值模拟装置——“寰”通过国家验收，成为怀柔科学城第一个正式运行的国家重大科技基础设施；综合极端条件实验装置进入科研状态……

从正式获批建设至今，6年时间，怀柔科学城成为生机勃勃的科学研究热土。这是全国重大科技基础设施集聚度最高的区域之一，已布局29座科学设施平台。

伴随着大科学设施的亮相，科研成果也加速涌现——

引力波暴高能电磁对应体全天监测器，是北京怀柔综合性国家科学中心空间科学实验室挂牌后发射的首个科学卫星，得名“怀柔一号”，将持续探索深邃太空的奥秘；

中科院大气物理所依托地球系统数值模拟装置在国内首次实现大气二氧化碳浓度的全耦合模拟，可为2060年碳中和的路径优化提供科学支撑；

中科院力学所研制了国际领先水平的复现高超声速飞行条件激波风洞和爆轰驱动超高速高焓激波风洞，大幅提升我国在空天宇航方面的地位；

……

怀柔科学城正向着世界级原始创新策源地发起冲击。

在清华大学公共管理学院教授、中国科技政策研究中心副主任梁正看来，重大科学基础设施是“大科学时代”科技发展的产物，其有助于提升国家创新体系整体效能，提高我国原始创新能力，实现关键核心技术突破。

“依托大科学设施来吸引和凝聚全球科学家和人才，是国际上比较通行的做法。”梁正说，北京历来重视重大科学基础设施建设，如北京正负电子对撞机建设至今已有30余年，较早实现了高能物理领域多位实验物理学家与理论物理学家的“引进来”和“走出去”。怀柔科学城依托大科学设施集群，也提出了针对外籍人才的开放共享战略，推出相关城市服务供给与配套措施。

当然，在依托“硬”设施吸引和凝聚国际尖端科技人才的同时，也需要系统谋划完善发现、引进、用好、留住高水平国际科技人才的“软”制度体系。

完善“城”的功能，正成为今年怀柔科学城的重点任务。人才社区陆续竣工、基础教育资源不断增强、着力打造生态宜居创新示范区……“远看是花园、近看是家园”的宜业宜居环境正在这里形成。

【亲历者说】

中科院物理所怀柔研究部主任吕力：

“这是物理学家梦寐以求的研究平台”

小于1毫开尔文的极低温、超过300吉帕斯卡的超高压、至少26特斯拉的全超导磁体强磁场以及约100阿秒的超快光场……这是中国科学院物理研究所在怀柔科学城落地建设的综合极端条件实验装置所能提供的实验条件。

所谓极端条件是指在实验室中人为创造出来达到或接近目前技术极限的条件。上述这组条件，意味着该装置能够提供比宇宙的背景辐射温度还低几千倍的极低温，接近地心压力的超高压，比地球磁场高出几十万倍的强磁场，以及能捕捉到千万亿分之一秒画面的“高速摄影机”。

“这是全世界物理学家梦寐以求的研究平台。”吕力说，“如果把综合极端条件下的科学探索过程比喻成探矿寻宝，有了这个综合极端条件实验装置，我们就可以看得比别人更远、挖得比别人更深，收获也比别人更多。”

除了担任中科院物理所怀柔研究部主任，吕力的另一个身份是综合极端条件实验装置首席科学家。近年来，利用极端实验条件取得创新突破，已成为科学研究发展的一种重要范式。

工欲善其事，必先利其器。2003年，中科院物理所成立工作小组，开始筹划综合极端条件实验装置的建设。四年后，吕力第一次来到怀柔，参与装置的选址工作，“当时，装置所在的这片区域还都是农田、林地，后来，怀柔科学城慢慢建起来了，雁栖湖已经成为‘国际会都’，周围的环境真是大变样。”

2017年，综合极端条件实验装置正式启动建设。这是怀柔科学城内第一个开工的国家重大科技基础设施，也是第一个进入科研状态的大科学设施。它与其他大科学设施相比，最大的特点在于综合化、集群化，每个极端条件都不是独立的，是“强强联合”，帮助科研人员进行全面、系统的研究。

建设大科学设施的过程，也是攻坚克难的过程。吕力提到，有些仪器购买困难，研究人员就从零开始、自主研发。2022年12月20日，综合极端条件实验装置全面进入试运行阶段，20个平台均面向中外用户开放预约。科学家们第一次可以在家门口做实验，自是难掩激动。首批通过性能工艺测试的5个实验站开放普通课题预约申请时，就收到57份申请，申请者中包括36家国内外科研院所、高等院校和高新企业的一线科研团队。

“多年来，我一步步看着怀柔科学城建设得越来越好，园区越来越热闹。”吕力期待着，有了大科学设施，能帮助科研人员做出更多优秀的成果。

怀柔科学城蓝图正变为现实

2017年5月

国家发改委、科技部正式批复北京怀柔综合性国家科学中心建设方案，明确以怀柔科学城为核心承载区进行建设。同年，怀柔科学城扩展至密云，整个科学城面积从41.2平方公里增至100.9平方公里。

2017年9月28日

怀柔科学城首个大科学装置——综合极端条件实验装置启动建设。

2021年

地球系统数值模拟装置落成，“把地球装进实验室”，成为我国首个研制成功的地球系统数值模拟大科学装置，也是怀柔科学城首个落成启用的大科学装置。

2023年3月14日

高能同步辐射光源直线加速器满能量出束，成功加速第一束电子束，标志着该装置进入科研设备安装、调束并行阶段。

多模态跨尺度生物医学成像设施和子午工程二期预计年内投入试运行。

城市客厅项目预计2023年底具备整体入驻条件，营造契合科学家需求的高品质国际化城市生活氛围。