■走近中國大科學工程

　　修復故宮精細文物、剖析病毒複雜機理、打造高鐵高強度外殼……這些看起來不相干的領域，都能借助一道神奇之光完成。這道光來自上海同步輻射光源（Shanghai Synchrotron Radiation Facility，簡稱上海光源，英文縮寫SSRF）。

　　作為我國迄今為止已建成的規模最大的科學裝置，上海光源究竟是什麼，為何它能夠“萬能”地解決這麼多問題？科技日報記者來到位於上海張江高科技園區建築外形好似“鸚鵡螺”的上海光源，一探究竟。

　　科技之光，洞悉萬物纖毫

　　走進上海光源內部，映入眼簾的是一個碩大的圓形裝置，裝置外側分佈著一個個用戶實驗站。“上海光源是我國自主研製的第一台第三代同步輻射裝置。”中國科學院上海應用物理研究所所長、上海光源國家科學中心（籌）主任趙振堂研究員告訴記者，“在周長432米的環形加速器中，能量為3.5GeV的電子束以接近光的速度飛行，在拐彎時放射出高強度電磁波。這些電磁波被‘條分縷析’成從遠紅外到硬X射線等不同波長的、高品質的同步輻射光，傳送到實驗站的樣品上。”

　　至於同步輻射光到底能幹什麼，中科院院士沈文慶有過生動闡釋：“這些光可以看得到細胞的結構、生物體的結構或者材料的結構等等。比如大家都在醫院照過X光吧，它可以把肉眼看不到的人體內部情況看清楚，而同步輻射光和醫院的X光還是有很大區別的。它的亮度可以達到我們平時用的X光的上百億倍，使人們能夠在原子和分子尺度上觀察物質的微觀世界。”

　　“按研究的不同需求，同步輻射裝置的光束線要對這些光進行單色化和聚焦等再加工，提供滿足實驗要求的高品質光束。”趙振堂説。

　　實驗站上，科學家借助一束束科技之光開始對無盡的微觀世界窮纖入微——中科院大連化學物理研究所包信和院士團隊借助這裡的光探索出天然氣直接轉化利用的有效方法，被德國巴斯夫集團副總裁穆勒評價為一項“即將改變世界”的新技術，入選2014年“中國十大科技進展新聞”與2014年“中國科學十大進展”；清華大學醫學院顏寧教授研究組借助這裡的光揭示了葡萄糖轉運蛋白工作機理，成為世界上第一個解析出人源葡萄糖轉運蛋白GLUT1的三維晶體結構的科學家，該成果被美國科學院院士、膜轉運蛋白研究專家羅納德·魁百克（Ronald Kaback）稱作“50年以來的一項重大成就”，入選2014年“中國十大科技進展新聞”；北京大學化學與分子工程學院李彥教授課題組借助這裡的光，發現了單壁碳奈米管的手性選擇性生長機制，有助於解決單壁碳奈米管的結構可控生長這一困擾學界已久的難題，在碳奈米材料研究領域取得了“世界級成果”；首都醫科大學羅述謙教授課題組借助這裡的光，在國際範圍內首次觀察到了大鼠肺泡結構……

　　“還有許多與老百姓息息相關的研究成果都是在這裡完成的。”上海光源國家科學中心（籌）副主任何建華研究員説，“比如H7N9禽流感病毒囊膜蛋白結構就是通過上海光源得到解析，弄清了H7N9感染人的傳播機制。我們甚至還可以通過這裡的光源看到PM2.5的真實結構，看清一粒稻米中不同營養成分的確切分佈。”

　　事實上，上海光源已被應用到許多研究領域，其性能水準、運作開放和成果産出在國際同類裝置中名列前茅。據統計，截至2015年上半年，上海光源首批7條線站共提供了超過18萬小時的用戶實驗機時，支援用戶課題約7000個。來自365家高校、科研院所、醫院和公司的1818個研究組的約1.2萬名用戶在這裡進行了實驗，研究覆蓋的學科包括生命科學、凝聚態物理、化學、材料科學、地質考古學、環境和地球科學、高分子科學、醫學藥學、資訊和能源科學等。

　　“為了保證向用戶提供在空間位置上高度穩定的同步輻射光，電子束軌道需要穩定在亞微米量級。”何建華説。他還告訴記者，鸚鵡螺的“螺心”——電子儲存環就是同步輻射光源的主體與核心，裏面大約有2.2萬億個電子在晝夜不停地高速旋轉，“螺心”的性能則直接決定了同步輻射光源性能的優劣。

　　“上海光源作為一個面向國內外用戶開放的國家重大基礎科技設施，其首要任務是通過保證穩定運作、提供高品質的同步輻射光，支援用戶産出重大成果。我們需要營造高度綜合交叉、立體合作交流的科研環境，並建設一支高水準、專業化的運作開放隊伍，這是一項非常艱巨的任務，也是上海光源人擔負的光榮使命。”趙振堂説。

　　希望之光，孕育科研新生態

　　正是上海光源人的精誠合作、持續創新，建成6年多來，首批7條光束線站已幫助用戶完成了大量重大和重要研究工作，有近500項成果發表于各專業領域前5%的學術期刊，其中有40余項研究成果發表在《自然》和《科學》雜誌上。此外，在重大關鍵技術攻關、國防建設、緊急衛生事件應急研究、制藥與化工等産業研究方面也取得了一系列重要成果。開足馬力的上海光源實現了250mA的恒流運作和亞微米的束流穩定性，為用戶供光期間開機率超過98%，還曾創下連續供光551.3小時的最新紀錄，生物大分子晶體學光束線站已連續兩年在解析蛋白質結構數量上位列全球第一……

　　“作為多學科前沿研究和高新技術開發應用的大型綜合平臺，上海光源每年都會固定向國內外開放兩次課題申請。”中國科學院上海應用物理研究所大科學裝置管理部主任范穎告訴科技日報記者，“為了確保對每個課題公平，提高光源的使用效率，還要使事關國計民生的重要課題得到科研保障，上海光源實施了一套‘用戶提出申請，用戶專家來審批’的制度規範。”

　　上海光源從用戶中遴選一批權威專家，組成涵蓋各學科的用戶委員會。“現任主任是中國科學院院士包信和，像施一公、丁洪等著名學者均在用戶委員會的名單中，由這些權威專家決定項目、給予機時。”范穎説。

　　趙振堂表示：“讓用戶專家自己來評審和決定，是目前最可能實現高效、公平和透明的辦法之一。”

　　由於光源的實驗機時有限，隨著競爭者越來越多，良性的競爭壓力也“逼迫”著申請者必須提出更前沿、更創新的科研課題，於是更多重量級的科學研究向上海光源匯聚。中國科學技術大學李良彬教授多次借助上海光源從事高分子材料研究。作為光源最早的用戶之一，他認為這一做法使上海光源獲得了很高的使用效率，“因為機時得來不易，大家都盡可能充分利用”。

　　除此之外，上海光源在設計機時分配製度時，特地留出了一部分機時用於獎勵那些取得傑出成果的科學家。“如用戶的成果刊登在《自然》或《科學》等頂級學術期刊上，可獲得額外的機時獎勵。”范穎説，“這樣做的目的就是在公平之餘兼顧效率，提高光源解決重大科學問題的能力和提升成果産出率。”

　　她還告訴記者，上海光源為一些重點課題以及緊急課題還預留了機時。“比如重大疫情發生時，相關的研究可以緊急進站；再比如已經做出重大成果、臨時補充一些實驗數據的課題，只要理由充分並通過專家評審，我們也為他們提供機時保障”。

　　目前，進入上海光源的實驗項目超過90%都是免費的，還有一小部分企業的實驗實行象徵性的收費制，“上海光源這個由國家建設和國家運營的大科學研究平臺，其目標就是服務於全體科學家，服務於國家戰略。”趙振堂説，“開放、公平、高效的運作經驗，還將被不斷豐富，為中國同類科研平臺的運作管理積累可複製的經驗。”

　　未來，上海即將建設成為有全球影響力的科技創新中心，而作為科技創新中心裏的“大塊頭”，上海光源正通過不斷完善運作管理制度，營造公平、透明、開放的科研氛圍，孕育出中國科研的新生態。“在這裡，我們希望用戶科學家可以與更多跨領域的研究人員廣泛交流，碰撞出更多跨界的創新靈感。”趙振堂説。

　　明日之光，照亮中國科學未來

　　在上海光源建成前，我國很多科學家不得不向國外光源申請機時，不僅差旅費用高、申請週期長，更難以得到足夠的機時。自從有了先進的上海光源，大部分科學家就可以就近做以往在國內不能做的研究了。然而儘管眼前的這個巨大的“光工廠”在高效地運轉，且目前有13條光束線投入運作，但面對眾多領域的科研需求，上海光源的機時仍然嚴重“供不應求”。“用戶課題數量不斷增長，實驗機時供需矛盾非常突出，目前只能滿足現有用戶機時需求的四分之一。”

　　“接下來，我們會進行光源的二期工程建設，預計到2020年底上海光源將擁有近40條光束線站。”負責後續線站建設的上海光源國家科學中心（籌）副主任邰仁忠研究員告訴記者，“上海光源將可提供近百种先進的同步輻射實驗方法，每天讓數百名不同學科領域的科學家和工程師日以繼夜地工作在各自的實驗站上，開展物理、化學、生命、材料、環境、地質等學科研究，或進行資訊、微電子、化工和制藥等高技術開發。”

　　而就在“鸚鵡螺”的“隔壁”，一個更加振奮人心的裝置正在悄然地拔地而起，它就是被譽為第四代先進光源的X射線自由電子鐳射。中國科學院上海應用物理研究所自由電子鐳射技術部主任王東研究員告訴科技日報記者：“由於性能方面無可替代的優勢，特別是具備超高的亮度、超短的脈沖和極好的相干性，自由電子鐳射將與同步輻射光源互補，成為一種探索自然奧秘和發展高新技術的最先進的研究平臺，使人們從拍分子照片進入拍分子電影的時代，極有助於解決人類面臨的最迫切的問題。”

　　6年前，《自然》雜誌以“中國加入世界級同步輻射俱樂部”為題，報道了上海光源的建成；而今即將建成的大型自由電子鐳射裝置配合第三代同步輻射光源，將使我國成為全球僅有的7個擁有這樣的大科學裝置集群的國家之一。

　　“利用同步輻射和自由電子鐳射實驗技術開展實驗研究所涉及的學科之眾多、應用之廣泛是其他大科學裝置難以比擬的。”趙振堂説，“希望這個‘巨大的X光機’延展出更多新的‘超級顯微鏡’，照亮和看清更多的未知領域，幫助科學家實現前沿突破，解決關鍵科技問題，不斷産出重大成果。”