在懷柔雁棲湖畔，一個周長1.36千米的“放大鏡”形建筑占據了967畝的區域，約90個足球場大小。2023年3月14日，這里剛剛成功加速了裝置的第一束電子束，向產生世界“最亮的光”又邁進了一步。

從星辰大海到生命演化，人類對未知領域的探索離不開大科學設施。在懷柔科學城，一座座“大國重器”正在落成。其中，這個被稱為“探測微觀世界利器”的“放大鏡”，格外引人注目。這將是我國第一臺高能同步輻射光源，也將成為世界上亮度最高的第四代同步輻射光源之一。

十年磨一劍。一群“追光的人”，等待世界最“亮”的同步光。

(資料圖片僅供參考)

填補空白的“追光人”

“為這一束電子，我們等了約十五年。”中國科學院高能物理所高能同步輻射光源加速器部副主任李京祎感慨。

光，照亮了物質世界。李京祎和同事，是一群“追光的人”。

上世紀40年代末，科學界發現：就像雨中快速轉動的雨傘，傘邊緣切線方向會飛出一簇簇水珠一樣，當高能電子束團被強迫在環形同步加速器上以接近于光速做回旋運動時，也會在切線方向發射出電磁波，這就是同步輻射光。

與常規光源相比，同步輻射光亮度高、覆蓋頻譜寬，就像是超級X光機，人們可以借助它觀察到物質的微觀結構。自此，世界各國開始了建設同步輻射裝置來構建光源的“競賽”。

北京是我國第一個大科學設施的誕生地。

玉泉路旁，北京正負電子對撞機“一機兩用”，進行著正負電子的高能對撞。1988年至今，依托對撞機和北京同步輻射裝置，我國科研人員已產出一系列世界級科研成果，世界上第一個SARS冠狀病毒主蛋白酶蛋白質的晶體結構就在此得到解析。

而為了“看”到納米級的物質結構，放眼世界，發射度更小、亮度更高、分辨率更高的新一代光源建設從未停步。一步慢，步步慢，時不我待。這是我國高能物理研究者的信念——要建一臺高能光源，填補空白。

時針轉回2008年。這群“追光人”開始對建設高能同步輻射光源的必要性和可行性進行論證，歷經近10年攻關，驗證了技術路徑的可行性，完成了裝置的概念和工程設計。高能光源選址，則定在了北京懷柔科學城。

2019年6月，高能同步輻射光源破土動工，爭分奪秒成為每位建設者的信條。工程指揮部成員的辦公室墻上，掛著一份工程建設零級進度計劃圖，宏大的工程被細致分解為82步，成為52個分系統人員的“指揮棒”。一個個時間節點穩步推進的背后，是參與者廢寢忘食忙碌的身影。

自主創新啃下“硬骨頭”

要造出第四代高能同步輻射光源，點亮最“亮”的同步光，物理和硬件技術上要啃的“硬骨頭”一個接一個。

“其實，每一個大科學設施的建設，必然會遇到難題，這是避不開的，只能面對它們，并且解決它們。”李京祎說。

施工剛剛起步，一項地基施工的指標就讓建設者們直呼“不可能”——防微振動控制目標要小于25納米，即要實現結構“零沉降”。納米，這個從未出現在建筑規范中的單位，卻是未來光源實驗精度的重要保障。裝置建設團隊反復試驗，用4個月里無數次失敗最終換來了答案：他們將光源儲存環隧道及實驗大廳地基用厚達3米的素混凝土進行基礎換填，保障光源地基穩如磐石。

大裝置里面的“小家伙”也難關重重。

光源直線加速器是電子的源頭和第一級加速器，電子束要通過它加速到0.5吉電子伏特的高能量。這其中的關鍵部件之一，就是提供能量的微波功率源。雖然北京正負電子對撞機上也有類似的設備，但其安裝的是基于老式人工線型調制器的功率源，高能同步輻射光源決定搭配“升級款”的固態調制器。

不過，“升級款”的固態調制器，全世界僅有一家企業有成熟產品，且價格十分昂貴。“我們下了決心，一定要自己研制出來。”李京祎語氣堅定。

團隊成員從理論模型的建立開始，反復分析優化，并不斷鉆研優化變壓器繞線和整機集成工藝。“高壓脈沖變壓器是固態調制器的核心技術，不同的走線、纏繞方式，都會影響到產品的性能。我們前后鉆研了3年，迭代了6個版本，實現了設計指標。”

最終，當固態調制器“就位”于光源現場，一項項測試數據在屏幕上跳動，均達到“滿分”標準。這是代級的躍變！

期待“世界最亮”的光

歷時近4年建設，曾經的荒草地上已經“長”出了三棟主體建筑，最大的圓環狀建筑便是光源的核心。

“在光源的建設過程中，北京市、懷柔區和懷柔科學城都給了我們很大的支持，全方位保駕護航，為‘大國重器’連通了‘生命線’。”李京祎說起，2022年冬天，是光源主體建筑封頂、科研設備啟動安裝的首個冬天。由于科研設備的準直精度普遍在10微米量級，環境溫度的細微變化，都會導致設備準直精度下降。以儲存環為例，其環境溫度必須保持在正負0.1攝氏度范圍內，才能保證磁鐵等設備的就位精度。

面對如此嚴苛的需求，懷柔區迅速協調，及時解決了光源裝置區的水、電、供暖等問題。“那個冬天，我們和光源的設備都感到特別溫暖。”李京祎笑道。

今年3月，高能同步輻射光源直線加速器“滿能量”出束，率先迎來“開門紅”，每秒都有百億量級的電子從電子槍“射”出，其中約90%的電子能順利抵達末端，保證末端電荷量達到額定2.5納庫（1微庫＝1000納庫）以上。這也意味著，這座“大國重器”進入科研設備安裝、調束并行階段，向產生世界最“亮”的同步光再邁進一步。預計到2025年，高能同步輻射光源將建成運行。

現在，光源最大的“環形加速跑道”——儲存環的安裝正在進行。光源投入運行后，儲存環中電子束在奔跑的過程中，將產生高亮度的同步光，幫助科研人員“照亮”實驗樣品，更好地解析物質的微觀結構及演變。

與儲存環一墻之隔，便是未來供用戶開展科學實驗的實驗站，大到飛機發動機、小到病毒蛋白質，都能在這里“體檢”。

“基礎研究是科技發展的基石，我們期待光源的第一束光盡快到來！”李京祎說。

【創新密碼】

用“大裝置”聚集天下英才

多模態跨尺度生物醫學成像設施工程竣工，將實現高端生物醫學影像儀器裝備的“中國創造”；我國首個具有自主知識產權的地球系統數值模擬裝置——“寰”通過國家驗收，成為懷柔科學城第一個正式運行的國家重大科技基礎設施；綜合極端條件實驗裝置進入科研狀態……

從正式獲批建設至今，6年時間，懷柔科學城成為生機勃勃的科學研究熱土。這是全國重大科技基礎設施集聚度最高的區域之一，已布局29座科學設施平臺。

伴隨著大科學設施的亮相，科研成果也加速涌現——

引力波暴高能電磁對應體全天監測器，是北京懷柔綜合性國家科學中心空間科學實驗室掛牌后發射的首個科學衛星，得名“懷柔一號”，將持續探索深邃太空的奧秘；

中科院大氣物理所依托地球系統數值模擬裝置在國內首次實現大氣二氧化碳濃度的全耦合模擬，可為2060年碳中和的路徑優化提供科學支撐；

中科院力學所研制了國際領先水平的復現高超聲速飛行條件激波風洞和爆轟驅動超高速高焓激波風洞，大幅提升我國在空天宇航方面的地位；

……

懷柔科學城正向著世界級原始創新策源地發起沖擊。

在清華大學公共管理學院教授、中國科技政策研究中心副主任梁正看來，重大科學基礎設施是“大科學時代”科技發展的產物，其有助于提升國家創新體系整體效能，提高我國原始創新能力，實現關鍵核心技術突破。

“依托大科學設施來吸引和凝聚全球科學家和人才，是國際上比較通行的做法。”梁正說，北京歷來重視重大科學基礎設施建設，如北京正負電子對撞機建設至今已有30余年，較早實現了高能物理領域多位實驗物理學家與理論物理學家的“引進來”和“走出去”。懷柔科學城依托大科學設施集群，也提出了針對外籍人才的開放共享戰略，推出相關城市服務供給與配套措施。

當然，在依托“硬”設施吸引和凝聚國際尖端科技人才的同時，也需要系統謀劃完善發現、引進、用好、留住高水平國際科技人才的“軟”制度體系。

完善“城”的功能，正成為今年懷柔科學城的重點任務。人才社區陸續竣工、基礎教育資源不斷增強、著力打造生態宜居創新示范區……“遠看是花園、近看是家園”的宜業宜居環境正在這里形成。

【親歷者說】

中科院物理所懷柔研究部主任呂力：

“這是物理學家夢寐以求的研究平臺”

小于1毫開爾文的極低溫、超過300吉帕斯卡的超高壓、至少26特斯拉的全超導磁體強磁場以及約100阿秒的超快光場……這是中國科學院物理研究所在懷柔科學城落地建設的綜合極端條件實驗裝置所能提供的實驗條件。

所謂極端條件是指在實驗室中人為創造出來達到或接近目前技術極限的條件。上述這組條件，意味著該裝置能夠提供比宇宙的背景輻射溫度還低幾千倍的極低溫，接近地心壓力的超高壓，比地球磁場高出幾十萬倍的強磁場，以及能捕捉到千萬億分之一秒畫面的“高速攝影機”。

“這是全世界物理學家夢寐以求的研究平臺。”呂力說，“如果把綜合極端條件下的科學探索過程比喻成探礦尋寶，有了這個綜合極端條件實驗裝置，我們就可以看得比別人更遠、挖得比別人更深，收獲也比別人更多。”

除了擔任中科院物理所懷柔研究部主任，呂力的另一個身份是綜合極端條件實驗裝置首席科學家。近年來，利用極端實驗條件取得創新突破，已成為科學研究發展的一種重要范式。

工欲善其事，必先利其器。2003年，中科院物理所成立工作小組，開始籌劃綜合極端條件實驗裝置的建設。四年后，呂力第一次來到懷柔，參與裝置的選址工作，“當時，裝置所在的這片區域還都是農田、林地，后來，懷柔科學城慢慢建起來了，雁棲湖已經成為‘國際會都’，周圍的環境真是大變樣。”

2017年，綜合極端條件實驗裝置正式啟動建設。這是懷柔科學城內第一個開工的國家重大科技基礎設施，也是第一個進入科研狀態的大科學設施。它與其他大科學設施相比，最大的特點在于綜合化、集群化，每個極端條件都不是獨立的，是“強強聯合”，幫助科研人員進行全面、系統的研究。

建設大科學設施的過程，也是攻堅克難的過程。呂力提到，有些儀器購買困難，研究人員就從零開始、自主研發。2022年12月20日，綜合極端條件實驗裝置全面進入試運行階段，20個平臺均面向中外用戶開放預約。科學家們第一次可以在家門口做實驗，自是難掩激動。首批通過性能工藝測試的5個實驗站開放普通課題預約申請時，就收到57份申請，申請者中包括36家國內外科研院所、高等院校和高新企業的一線科研團隊。

“多年來，我一步步看著懷柔科學城建設得越來越好，園區越來越熱鬧。”呂力期待著，有了大科學設施，能幫助科研人員做出更多優秀的成果。

懷柔科學城藍圖正變為現實

2017年5月

國家發改委、科技部正式批復北京懷柔綜合性國家科學中心建設方案，明確以懷柔科學城為核心承載區進行建設。同年，懷柔科學城擴展至密云，整個科學城面積從41.2平方公里增至100.9平方公里。

2017年9月28日

懷柔科學城首個大科學裝置——綜合極端條件實驗裝置啟動建設。

2021年

地球系統數值模擬裝置落成，“把地球裝進實驗室”，成為我國首個研制成功的地球系統數值模擬大科學裝置，也是懷柔科學城首個落成啟用的大科學裝置。

2023年3月14日

高能同步輻射光源直線加速器滿能量出束，成功加速第一束電子束，標志著該裝置進入科研設備安裝、調束并行階段。

多模態跨尺度生物醫學成像設施和子午工程二期預計年內投入試運行。

城市客廳項目預計2023年底具備整體入駐條件，營造契合科學家需求的高品質國際化城市生活氛圍。

目前，懷柔科學城“十三五”時期布局的29個重大科技設施平臺項目土建工程已全部完工，進入建設與運營并重階段。

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