中國迄今最大科學工程“上海光源”宣布建成

4月29日，中國最具規模、世界矚目的重大科學工程——中國科學院上海同步輻射光源竣工典禮在其實驗大廳舉行。中共中央政治局委員、國務委員劉延東，中共中央政治局委員、上海市委書記俞正聲，全國人大常委會副委員長、中國科學院院長路甬祥，中國工程院院長徐匡迪共同啟動竣工裝置，并為上海光源國家科學中心(籌)揭幕。上海市市長韓正，中科院常務副院長白春禮，中科院副院長、工程總指揮江綿恒，陳森玉院士，科技部副部長曹健林分別致辭。

　　新華網上海4月29日電 題:中國迄今最大科學工程“上海光源”宣布建成
　　新華社記者 張建松 劉丹 楊金志
　　經過長達16年的孕育、52個月的緊張施工，中國迄今最大的大科學裝置和大科學平臺“上海光源”29日宣布建成，并同時宣布對國內外用戶開放共享。
　　這標志著中國大科學裝置建設跨上一個新臺階，不僅為中國科學界和工業界提供了一個與世界同步的大科學實驗平臺，帶動中國科技創新和相關工業的發展，同時也表明中國在建設國際先進水平的大型科學實驗裝置方面，具備了高水平的技術集成和創新能力。
　　總投資約12億元人民幣的“上海光源”工程坐落于上海浦東張江高科技園區，占地面積約20萬平方米。從空中俯瞰，整座建筑如一座巨大的銀灰色“鸚鵡螺”——其設計理念是體現光的閃亮與柔美，吸引公眾對科學的關注和興趣。
　　工程的主體建筑是三大加速器——一臺150MeV(1.5億電子伏特)的電子直線加速器、一臺能在0.5秒內把電子束能量從150MeV提升到3.5GeV(35億電子伏特)的全能量增強器，以及一臺周長432米的3.5GeV高性能電子儲存環。
　　作為目前世界上性能最好的第三代同步輻射光源之一，“上海光源”的建成還將與中國臺灣地區和日本、韓國、印度的第三代同步輻射光源一起，形成堪與美歐媲美的“光源群”，成為面向世界的同步輻射實驗平臺。
　　根據設計，“上海光源”具有建設60條以上光束線和上百個實驗站的能力。目前首批建成了七條光束線站，分別是:生物大分子晶體學線站、XAFS光束線站、硬X射線微聚焦及應用線站、X射線成像與生物醫學應用光束線站、軟X射線譜學顯微光束線站、X射線衍射光束線站和X射線小角散射光束線站。
　　所謂“同步輻射”，是由以接近光速運動的電子在磁場中作曲線運動改變運動方向時所產生的一種電磁輻射。同步輻射光源被科學家稱之為繼電光源、X光源和激光光源之后，第四次為人類文明帶來革命性推動的新光源。其高準直性、高極化性、高相干性、寬頻譜范圍、高廣譜亮度、高光子通亮等優良特性，為人們開展科學研究和應用研究帶來了廣闊前景。

　　這是3月16日拍攝的“上海光源”高性能電子儲存環旁的部分實驗站。科學家要研究比“可見光”波長更短的物體，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的波長的光束，來照射微觀物體，利用光束在物質中的衍射、折射、散射等能夠檢測到的特性，或者利用光束與物體相互作用產生的光激發、光吸收、熒光、光電子發射等特性，來探究未知的微觀世界。新華社記者 裴鑫 攝
　　目前，全球建成和在建的同步輻射光源裝置共有60余座，其中第三代同步輻射裝置13臺。上海光源屬于世界上性能最好的第三代中能同步輻射光源之一，能量居世界第四，僅次于日本的SPring-8(8 GeV)、美國的APS(7 GeV)和歐洲的ESRF(6 GeV)。
　　與中國已有第一代同步輻射光源——北京正負電子對撞機和第二代同步輻射光源——合肥國家同步輻射實驗室相比，上海光源具有高亮度、高強度、高穩定等優點，強度是X光機的上萬倍，亮度是最強的X光機的上億倍，可同時提供從遠紅外線、紫外線，到硬X射線等不同波長的高亮度光束，每年供光機時將超過5000小時。
　　上海光源工程由中國科學院和上海市政府共同申請建造，由中科院上海應用物理所承建，于2004年12月25日正式破土動工。
　　上海光源工程指揮部總指揮、中國科學院副院長江綿恒說，上海光源是一項極其復雜的大科學工程，工程包含了眾多系統，涉及超導高頻及低溫技術、超高真空技術、高精度數字化電源技術，以及先進光束線技術等多項先進技術，部件研制及系統集成難度極高。
　　在建設過程中，中國工程人員攻克了軟土地基微振動控制、消防性能化設計等諸多技術難題，90%的關鍵技術和設備實現了國產化，直接帶動了中國現代高性能加速器、先進電工技術、超高真空技術、高精密機械加工等先進技術和工業的發展。
　　“上海光源工程是全國大協作的結晶，代表了中國工業發展的最先進水平，彰顯了中國綜合科技實力。”上海光源工程最早的倡導者之一、中國科學院楊福家院士說。
　　截至目前，中科院上海應用物理所已經收到來自全國78所高等院校和科研院所的301份申請材料，各地科研人員計劃在“上海光源”的七條光束線站上開展生命科學、醫學與制藥、新材料、物理、化學、石油化工等方面的研究和開發工作。

　　上海光源工程座落在上海浦東著名的張江國家級高科技園區，地塊位于張江高科技園區的楊橋村南部，工程用地范圍約20萬平方米，上海張江(集團)有限公司以零地價轉讓給上海光源工程使用。
　　上海光源將對有巨大產業前景的微電子、微機械等高新技術的開發，起到極大的推動作用，在科學界和工業界有著廣泛的應用價值。由于在長三角地區特別是張江高科技園區已存在微電子與光電子工藝、先進復合材料、紅外光電材料和器件、再生能源等多個領域中的上千家高科技開發商，均是上海光源的潛在用戶。

　　上海光源工程一期擬建約45000平方米，東西長分別為588至615米，南北寬為333米,總面積約為20萬平方米，一期建筑面積為50857平方米。上海光源是中國迄今為止投資最大的國家重大科技基礎設施建設項目，總投資約12億元，在一座銀灰色、如鸚鵡螺外形萬人體育場大小的圓形建筑內，建有一臺能量為150M電子伏特的電子直線加速器，一臺周長為180米、能量為3.5G電子伏特的增強器，以及一臺周長達432米、能量為3.5G電子伏特的電子儲存環，還有沿電子儲存環外側依次分布的多條光束線和實驗站等。
　　上海光源工程由中國科學院和上海市政府共同建造，由中央政府和上海地方政府共同出資，開中國重大基礎科學研究之先河。上海光源的建設將為構建科研新體制增添一份寶貴的經驗。

　　同步輻射光源被科學家稱之為繼電光源、X光源和激光光源之后，第四次為人類文明帶來革命性推動的新光源，為人類認知世界提供了更有力的工具。它具有常規光源不可比擬的優良性能，如高準直性、高極化性、高相干性、寬頻譜范圍、高光譜耀度和高光子通量等，好比一臺多用戶的超級顯微鏡，是照亮微觀世界的“神奇之光”。它所能照亮的學科之眾多，應用領域之廣泛，都是空前的。像普通的X光膠片只能模糊地看到骨骼，但是同步輻射光透射的影像就能探測分子級甚至亞分子級結構，如蛋白質和DNA等等，而且輪廓非常清晰。
　　高性能的同步輻射光源將為生命科學、材料科學、環境科學、信息科學、凝聚態物理、原子分子物理、團簇物理、化學、醫學、藥學、地質學等多學科的前沿基礎研究，以及微電子、醫藥、石油、化工、生物工程、醫療診斷和微加工等高技術的開發應用，提供不可替代的先進實驗平臺。

　　為保持光束流的高度穩定，光源軌道的垂直穩定度須控制在1微米以內。上海光源是極其復雜的大科學工程，包含有眾多系統，它們分別涉及超導高頻及低溫技術、超高真空技術、高精度數字化電源技術、高性能磁鐵及機械準直技術、高性能束流診斷技術、先進控制技術，以及先進光束線技術等多項先進技術，部件研制及系統集成難度極高;特別是須在保證各系統性能的前提下達到很低的故障率，以實現提供十幾到幾十小時的穩定束流、年運行5000小時以上供光時間的預定目標。
　　上海光源的建設將直接帶動中國現代高性能加速器、先進電工技術、超高真空技術、高精密機械加工、X射線光學、快電子學、超大系統自動控制技術以及高穩定建筑等先進技術和工業的發展。大科學工程的實踐證明，這種帶動作用的間接效應所帶來的社會和經濟效益是非常大的。

艾滋病毒

　　僅以生命科學為例，生命科學已進入了后基因組時代，蛋白質科學已成為各發達國家競相搶占的制高點，而以蛋白質結構和功能研究為主要目標的結構基因組學研究，其中80%以上的工作需要在第三代同步輻射光源上進行，利用高強度和高亮度的同步輻射光，科學家可以很清晰地“看見”生物大分子(如蛋白質、病毒等)的三維結構，掌握它們在生化反應過程中，結構隨時間變化的動態過程，所以上海光源將成為中國生命科學前沿研究不可或缺的大科學設施。
　　同步輻射X射線衍射方法是當前測定生物大分子結構的最有力手段，是研究生命現象與生物過程的利器。研究清楚致病病毒分子及周圍人體生物組織分子的三維結構，弄清病毒的致病機理與過程至關重要，然后進行計算機模擬，有針對性地設計出能對致病分子進行屏蔽或抑制的藥物分子結構，再合成新藥，這比傳統的篩選法周期短得多，成本也低得多。利用這種方法，國外已成功研制出用于抑制艾滋病的藥物，對于降低艾滋病的死亡率起到了良好的作用。

　　在2003年中國出現SARS疫情后不及，中國科學家就利用同步輻射光成功測定了SARS病毒主蛋白酶的結構，為研制抵御SARS病毒的藥物提供了重要信息。

　　在石化及化學工業中，催化劑起著核心作用，對石油化工的效率產出有重要影響。中國在某些催化劑和高分子材料的研究方面有著相當好的基礎和科技積累，但放眼世界，各大石油公司均已在同步輻射光源上建有專用的光束線站，研究催化機理和催化劑的特性。
　　假如沒有高性能的第三代同步輻射光源先進技術的支持，中國企業將面臨十分被動的局面。上海光源將是新型催化劑研發中不可或缺的工具。
　　此外，基于第三代同步輻射光源的微細加工技術已成為發展微電子機械系統的主要支撐技術，微細加工將在不長的時間內形成具有相當規模的產業。隨著業界對集成電路的集成度要求越來越高，科學界估計，對線度在幾十納米及以下的集成電路，第三代同步輻射光刻技術有可能將成為主要的光刻手段。

　　材料科學是支撐高技術經濟發展必不可少的基礎，未來的技術革命將在很大程度上取決于新型材料的發明，例如半導體、高分子聚合物、合金、陶瓷、超導材料、復合材料、金屬玻璃以及納米材料等，這些具有異乎尋常性能的新型材料將在計算機、信息、通訊、航空航天、機器人、醫藥、微機電和能源等新興產業中獲得越來越廣泛的應用。
　　利用上海光源所產生的高亮度同步輻射光束，可以揭示材料中原子的精確構造和得到有價值的電磁結構參數等信息，它們既是理解材料性能的"鑰匙"，也隱含著發明新穎材料的原理來源。
　　移動通訊和便攜式電腦市場的迅猛發展導致對質輕、價低、續航時間長的可充電電池的需求激增，未來的新能源汽車對全新機理的高性能電池研究需求更是世界矚目的焦點，各國的制造商正在為掌握新的電化學反應以開發高性能的電池而陳兵鏖戰，而同步輻射光正是他們手中的新式武器。

　　“上海光源”的用戶并不僅限于高科技機構，還包括眾多與民生緊密相關的企業。比如，著名化妝品公司歐萊雅已經多次采用同步輻射光源來研究毛發角蛋白的分子結構，開發更高性能的產品。

　　上海光源包括一臺約40米長、把電子槍產生的10萬電子伏特電子束加速到1.5億電子伏特的電子直線加速器(在模型中心位置，紅色直線段)、一臺周長180米、能在0.5秒內把電子束從1.5億電子伏特加速到35億電子伏特全能量的增強器(紅色小環)和一臺周長432米、35億電子伏特的高性能電子儲存環(外圈藍色大環)和諸多的引出光束線(青色曲線)。
　　其電子束能量為35億電子伏特，僅次于日本的SPring-8 (80億電子伏特)、美國的APS(70億電子伏特)和歐洲共同體的ESRF(60億電子伏特)，居世界第四。

　　上海光源的設計建造符合中國國情，投資適中，在寬廣的光子能區具有好的性能價格比。上海光源可同時提供從“硬X射線”到“遠紅外”全波段的高亮度光束，性能被優化在用途最廣泛的X射線和硬X射線能區。利用近年來技術的新進展，在5~20keV光譜區間可產生性能趨近前述美日歐三套大而昂貴的高能量光源所產生的高耀度硬X光;在1~5keV光譜區間可產生目前世界最高耀度的同步輻射光。
　　其將在亞洲地區與日本SPring-8 (80億電子伏特)、韓國PLS (25億電子伏特)、印度Indus-II (25億電子伏特)和中國臺灣TLS (15億電子伏特)等第三代同步輻射光源一起形成能量和性能分布合理的光源群，成為面向世界的同步輻射實驗平臺。

　　沿著周長432米、35億電子伏特的高性能電子儲存環的切線方向可以引出光束線，建立試驗站。上海光源總共將建設近60條以上光束線和上百個實驗站。上海光源首批建設的7個光束線實驗站居國際先進水平，目前每天可容納幾百名不同學科領域或公司企業的科學家、工程師，夜以繼日地在各自的實驗站上使用同步輻射光。

　　上海光源的二期工程——再建22至24條光束線的計劃，也已經遞交。上海光源圓形建筑內具有建設60多條不同光束線的能力，能日夜不斷為環繞四周的上百個實驗站供光，幾十條光束線和上百個實驗站全部建成后，同時容納的研究人員可達上千名。如此之多的研究人員同時使用上海光源，就創造了特有的科研氛圍，為不同學科間的學術交流提供了天然的優良條件，使上海光源自然而然成為綜合性的大型前沿研究中心，為萌發新思想、創造新方法和開辟新學科提供極為有利的環境條件。

　　中國第一代同步輻射光源——北京正負電子對撞機。第一代同步輻射光源是寄生于高能物理實驗專用的高能對撞機的兼用機，如北京光源(BSR)就是寄生于北京正負電子對撞機(BEPC)的典型第一代同步輻射光源，目前世界上已建成的第一代同步輻射光源有17臺。

　　中國第二代同步輻射光源——合肥國家同步輻射實驗室(HLS)。第二代同步輻射光源是基于同步輻射專用儲存環的專用機，目前世界上已建成的第二代同步輻射光源有23臺。

合肥國家同步輻射實驗室內景

　　第一代、第二代、第三代同步輻射光源之間的最主要的區別，是在于作為發光光源的電子束斑尺寸或電子發射度的迥異。例如第二代的合肥同步輻射光源，其電子束發射度約150納米弧度，而第三代的上海光源，其電子束發射度約4納米弧度，光源點水平束斑尺寸約150微米、垂直束斑尺寸僅約10微米。二者相差近40倍，結果得到的光亮度差1600倍，近三個量級!
　　目前世界上已建成的第三代同步輻射光源有13臺，正在建造和設計的第三代同步輻射光源有12臺。

　　上海光源作為先進的第三代同步輻射光源，本身具有很高的現代高科技的融合度和集成度，因此它將成為中國顯示綜合科技實力的標志性重大科學裝置，并為提升國家知識創新能力和綜合科技實力做出不可替代的重要貢獻。
　　中國科學院正計劃籌建以上海光源等大型設施為依托的上海應用物理國家實驗室。該國家實驗室在發展光源物理與技術的同時，還將大力開展相關學科的交叉融合性研究，如空間技術向小型化和微型化發展中所需要的新型信息功能材料與器件研究與研制、健康領域中疾病的新型診斷技術和新藥的設計與遴選技術研究、結構與功能材料研究、強光技術研究、有機化學領域前沿問題研究等。這個計劃組建的國家實驗室將成為在國際上占有一席之地的綜合性高科技研發中心。