導(dǎo) 讀
自2009年建成開放以來，上海光源孕育了許多重量級的科學(xué)研究成果，也為“上海張江大科學(xué)設(shè)施集群”以及我國正在建設(shè)的其他大科學(xué)裝置積累了寶貴的技術(shù)和運營管理經(jīng)驗。
近日，《知識分子》推薦《國家科學(xué)評論》(National Science Review, NSR)對上海光源科學(xué)中心主任、X射線自由電子激光試驗裝置項目首席科學(xué)家、中國科學(xué)院上海高等研究院副院長趙振堂院士的訪談。在訪談中，趙振堂介紹了上海光源、X射線自由電子激光裝置等的建設(shè)和發(fā)展歷程，并詳解這些項目可為我國其他大科學(xué)裝置的建設(shè)和運行提供哪些啟示。
1 上海光源的歷史與現(xiàn)狀
NSR：有一種說法是“上海光源是國內(nèi)最大的大科學(xué)裝置”，這個說法準確嗎?
趙振堂：這個說法是2009年上海光源建成時講的，但是現(xiàn)在已經(jīng)不準確了。那個時候，上海光源的確是國內(nèi)投資最多、占地規(guī)模最大的大科學(xué)裝置。但是在這之后的十幾年中，我國已經(jīng)建設(shè)了幾個更大規(guī)模的科學(xué)裝置，比如天眼FAST、中國散裂中子源、正在建設(shè)的北京高能光源，以及就在上海光源旁邊的硬X射線自由電子激光裝置等。
不過到目前為止，上海光源仍然是我國用戶最多、用戶產(chǎn)出成果最多的大科學(xué)裝置。作為我國建成、使用較早的大科學(xué)裝置，上海光源為后續(xù)其他大科學(xué)裝置和大科學(xué)中心的建設(shè)和運行積累了一定的經(jīng)驗。
NSR：能否簡單介紹一下上海光源的基本情況和建設(shè)過程?
趙振堂：上海光源是中能第三代同步輻射光源的一個代表。第三代同步輻射光源可以分為高、中、低三個能區(qū)。其中中能區(qū)的同步輻射光源是“性價比”比較高的一類，它是將電子束加速到3 GeV左右來產(chǎn)生光束，在20-30 keV波段有較好的出光性能。它的性能可以趨近高能光源，同時在1 eV到1 keV的低能波段也能提供很好性能的同步輻射。
目前全世界的中能同步輻射裝置有20臺左右，其中上海光源的性能在第三代光源中屬于第一梯隊。除了上海光源，英國的DIAMOND、法國的SOLEIL、西班牙的ALBA、美國的NSLS-II等也都是很好的第三代中能同步輻射光源。
上海光源的立項過程比較漫長。最初是在1993年，方守賢、丁大釗、冼鼎昌三位院士根據(jù)國際上的發(fā)展趨勢和我國科學(xué)研究的需求，提出中國應(yīng)該建設(shè)一臺中能第三代同步輻射光源，中科院上海應(yīng)用物理研究所積極響應(yīng)這一建議，并且很快得到了中科院和上海市的支持。后來經(jīng)過十多年的前期設(shè)計和預(yù)制研究，在2004年初，這個項目終于得到了國家批準。上海光源于2004年12月25日破土動工，2009年5月6日正式開放運行，接待首批用戶。
從2009年開放運行至今，上海光源保持了相當高的成果產(chǎn)出率，中國科學(xué)家利用上海光源做出了一大批重要的科技成果。在此過程中，上海光源的后續(xù)建設(shè)也在不斷推進。最初運行時，我們只有7條光束線。現(xiàn)在我們已經(jīng)有23條束線，34個實驗站可以向用戶開放。到明年，我們將會有32條束線、50個實驗站投入用戶實驗運行。可以說，我們已經(jīng)把上海光源建成了一個比較成熟的、世界先進的同步輻射光源設(shè)施，從明年開始的5到10年時間，將會是它運行和成果產(chǎn)出的黃金時期。
趙振堂在上海光源實驗大廳。
NSR：目前上海光源的用戶構(gòu)成大概是怎樣的?產(chǎn)出了哪些比較重要的成果?
趙振堂：同步輻射光源可以產(chǎn)生X射線，主要功能是在原子和分子的層次上去研究物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以做成像，也可以做譜學(xué)和大分子結(jié)構(gòu)的研究。因此，它既可以用于基礎(chǔ)科學(xué)研究，也可以服務(wù)于產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。到目前為止，上海光源服務(wù)過來自全國各地3100多個研究組的34,000多名用戶，其中一半左右來自高校，30%左右來自科研機構(gòu)，13%左右來自企業(yè)、7%左右來自醫(yī)院。在中科院的所有院所中，有大約80%的研究所都有科研人員來上海光源做過實驗。從學(xué)科分布上看，生物學(xué)和生命科學(xué)的用戶占25%左右，化學(xué)、材料、能源等領(lǐng)域的用戶也很多。
這些用戶在上海光源總計完成了15000項課題研究，產(chǎn)出了許多科技成果。比如，中科院物理所丁洪團隊利用上海光源，在國際上首次發(fā)現(xiàn)了外爾費米子，這項成果入選了Physical Review系列期刊125周年的紀念論文集。再比如，澤布替尼是百濟神州研發(fā)的第一款抗癌新藥，目前在美國和中國都已獲批上市。這是一款基于結(jié)構(gòu)設(shè)計和篩選出來的藥物，在它的研制過程中，所有分子結(jié)合的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，都是在上海光源獲得的。
上海光源也在解析禽流感、埃博拉、寨卡和新冠病毒結(jié)構(gòu)，篩選抗病毒藥物與抗體以及支持新冠疫苗研制等方面取得了多項成果。此外，在甲烷高效轉(zhuǎn)化，單原子催化，超級鋼、石墨烯、碳纖維等高性能材料等研究方面，上海光源也幫助研究者解決了許多基本問題，促進了科學(xué)的進步和技術(shù)的應(yīng)用。在過去10年中，上海光源的用戶成果9次入選年度中國科學(xué)十大進展、5次入選年度中國十大科技進展新聞。
NSR：上海光源在國際合作方面有哪些經(jīng)驗?
趙振堂：上海光源本身的建設(shè)和發(fā)展是深深受益于國際合作的。在最初的設(shè)計和預(yù)研過程中，我們得到了美國、日本、歐洲很多科學(xué)家和研究機構(gòu)的幫助，向他們學(xué)習(xí)了很多技術(shù)和經(jīng)驗。我們的建設(shè)過程采用了國際評審的標準化方式，美國的科學(xué)家團隊為我們的設(shè)計方案進行了很多輪評審，幫助我們做了很多改進。在應(yīng)用和管理層面上，我們也向國際團隊學(xué)習(xí)了先進的用戶管理和課題評估經(jīng)驗，建立起了我們自己的用戶管理流程和體系。
而經(jīng)過這么多年的建設(shè)和發(fā)展，我們現(xiàn)在也開始有能力幫助其他國家來建設(shè)新的光源設(shè)施。在美國ALS光源的升級改造，以及韓國、加拿大、巴西等國家的光源建設(shè)過程中，我們都提供了一些技術(shù)支持，分別向他們提供了六極磁鐵、真空波蕩器、直線加速器注入器等關(guān)鍵設(shè)備。隨著中國科技水平的提升，我們已經(jīng)不再只是單向地向國際同行學(xué)習(xí)經(jīng)驗，現(xiàn)在也可以和大家坐在一起，分享我們的技術(shù)進展，共同討論未來的發(fā)展方向和思路。
事實上在過去幾十年中，同步輻射、加速器、粒子物理等相關(guān)領(lǐng)域一直是國際合作開放度最高，也是從國際合作中受益最多的領(lǐng)域。這深深受益于在高能物理領(lǐng)域的良好國際合作傳統(tǒng)。而且，粒子對撞機和同步輻射光源等大科學(xué)裝置也可以作為國際合作的基地，為各領(lǐng)域的科學(xué)家提供交流和合作的平臺。
2 建設(shè)中的自由電子激光裝置
NSR：2020年底，X射線自由電子激光試驗裝置通過了國家驗收，此外，硬X射線自由電子激光裝置也在建設(shè)中。這兩個裝置與上海光源之間是什么關(guān)系?
趙振堂：自由電子激光和同步輻射光源的發(fā)展是緊密相關(guān)的，在上海光源的設(shè)計和預(yù)制研究階段，我們就已經(jīng)開始考慮后續(xù)自由電子激光裝置的建設(shè)了。事實上早在上個世紀末和本世紀初，楊振寧先生就給當時的國家科技領(lǐng)導(dǎo)人先后寫了10封信，推動中國發(fā)展X射線電子激光裝置。
在X射線自由電子激光試驗裝置之前，我們就一直在研發(fā)相關(guān)的技術(shù)。首先是在上海應(yīng)用物理研究所建設(shè)了“上海深紫外自由電子激光”試驗平臺，在這個平臺上，我們掌握了光陰極注入器、直線加速器、波蕩器、自由電子激光調(diào)試等關(guān)鍵技術(shù)，并在國際上首次實現(xiàn)了回聲型自由電子激光(Echo-Enabled Harmonic Generation, EEHG)的放大出光。之后我們又在大連建設(shè)了一個“極紫外自由電子激光裝置”。
在這些前期工作的基礎(chǔ)上，我們在2020年底完成了一臺8.8nm種子型自由電子激光裝置，即“X射線自由電子激光試驗裝置”的建設(shè)。這個裝置就坐落在上海光源北側(cè)，最近的距離只有50米左右。今年6月，我們已經(jīng)獲得了最短2納米波長、覆蓋整個水窗的自由電子激光，并開始嘗試用它來研究生物樣品。目前，我們正在對它進行擴建和升級改造，計劃在今年將它建設(shè)成為“軟X射線自由電子激光用戶裝置”，在明年正式向用戶開放。
此外，“上海硬X射線電子激光裝置”也于2018年4月破土動工，預(yù)計在未來幾年內(nèi)建設(shè)完成。這個裝置緊鄰上海光源，從園區(qū)西側(cè)的地下穿過，建在埋深30米的隧道中，它的總長度是3.1公里。
上海硬X射線自由電子激光是基于超導(dǎo)直線加速器的自由電子激光，它的光脈沖重復(fù)頻率可以達到1 MHz，比軟X射線自由電子激光高了2萬倍。目前，世界上已經(jīng)投入運行和正在建設(shè)的具有類似性能的硬X射線自由電子激光只有3臺，包括投入運行的歐洲自由電子激光(European XFEL)，美國正在建設(shè)的LCLS-II，以及上海的硬X射線自由電子激光裝置。
在將來，我們還希望把自由電子激光和同步輻射光源的技術(shù)結(jié)合起來，把上海光源升級為相干的同步輻射光源。也有人把這樣的光源叫做“第五代光源”。
趙振堂在上海軟X自由電子激光(SXFEL)直線加速器的隧道中。
NSR：這兩種X射線電子激光裝置的應(yīng)用場景和同步輻射光源有什么不同?
趙振堂：和同步輻射光源相比，自由電子激光的亮度更高、相干性更好，因此它在成像和結(jié)構(gòu)研究上能夠更加清晰和精確。另外很重要的一點是，自由電子激光的光脈沖長度比同步輻射短1000倍，因此可以研究同步輻射力所不及的快速過程。如果說同步輻射可以給分子拍照片，那么自由電子激光就可以給分子拍電影，可以拍攝分子和細胞的快速動態(tài)過程。
NSR：自由電子激光的脈沖功率更高，它對樣品的破壞性也會更大。對于這個問題，有什么解決的方法嗎?
趙振堂：有一些方法，比如人們正在發(fā)展“破壞前檢測”(Detection before Destruction, DBD)技術(shù)，就是要在樣品被破壞之前，在很短的時間內(nèi)拿到我們所需要的數(shù)據(jù)。
NSR：自由電子激光的用戶組成會與同步輻射光源類似嗎?
趙振堂：會有一點不同。尤其在初期，自由電子激光的用戶可能會以物理、化學(xué)、材料等基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的研究者為主，這是因為自由電子激光的特性剛好能夠幫助他們解決一些基礎(chǔ)的科學(xué)問題。比如，有美國研究者利用自由電子激光裝置，拍攝了化學(xué)鍵斷裂和結(jié)合的過程，這在以前是難以想象的。當然，生命科學(xué)等領(lǐng)域的用戶也可以使用自由電子激光裝置，來解決在同步輻射光源上難以解決的較為復(fù)雜的或者動態(tài)的結(jié)構(gòu)問題。此外，還會有激光科學(xué)領(lǐng)域的用戶，利用裝置能夠提供的更強的激光，來研究激光領(lǐng)域本身的問題。
事實上，我們在自由電子激光建設(shè)的早期就做過一系列用戶研討工作，請國外科學(xué)家交流國際上X射線自由電子激光裝置的科學(xué)目標和重點應(yīng)用，也請國內(nèi)各相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家提出他們希望用這一裝置解決的科學(xué)問題。做大科學(xué)裝置應(yīng)該要以重大科學(xué)問題為導(dǎo)向，只有這樣，我們的裝置才能在最大程度上發(fā)揮作用、支持科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。
3 逐漸成型的“張江大科學(xué)裝置集群”
NSR：除了上海光源和自由電子激光裝置，“張江大科學(xué)設(shè)施集群”還包含哪些設(shè)施?這個集群有什么特點?
趙振堂：這個集群是“上海張江綜合性國家科學(xué)中心”的核心組成部分，是一個基于光子科學(xué)的設(shè)施集群。除了上海光源、軟X射線自由電子激光裝置和硬X射線自由電子激光裝置，它還包括超強超短激光裝置和蛋白質(zhì)研究設(shè)施。其中，蛋白質(zhì)研究設(shè)施包含電鏡、核磁、質(zhì)譜儀等一系列生命科學(xué)領(lǐng)域的常用設(shè)備。將來還會建設(shè)電鏡中心、超快電子衍射(ultrafast electron diffraction, UED)裝置、超快電子顯微鏡(ultrafast electron microscopy, UEM)等。
與北京懷柔、合肥、深圳等地正在建設(shè)的大科學(xué)設(shè)施集群相比，張江的集群有一個特點，就是這些設(shè)施之間有更緊密的內(nèi)在聯(lián)系，它們基本上都是以光子科學(xué)為核心，產(chǎn)生光或者利用光的裝置，裝置之間有互補的關(guān)系，可以根據(jù)需要配合在一起使用。其實在國際上，類似這樣的設(shè)施布局是一個發(fā)展趨勢，美國、日本等國家也都有將同步輻射光源、自由電子激光裝置，以及電子顯微鏡等布置在同一個園區(qū)內(nèi)的先例。在這樣的布局下，不同的設(shè)施可以共用許多技術(shù)支撐條件，也方便用戶使用多種設(shè)施來進行實驗研究。
NSR：既然張江大科學(xué)設(shè)施集群是以光子科學(xué)為基礎(chǔ)的，它是否也會去研究光子科學(xué)領(lǐng)域本身的一些科學(xué)問題?
趙振堂：沒錯。光子科學(xué)的核心問題就是如何更好地產(chǎn)生光和利用光。所以目前的主要研究方向包括如何進一步提高光源亮度和通量、如何使加速器光源小型化、如何制造更高性能的加速器、如何提高硬X射線自由電子激光的時間相干性，以及如何更好地探測和獲取自由電子激光照射樣品后產(chǎn)生的高速信號等等。這些都是我們會不斷去研究的問題。只有在這些技術(shù)上不斷進步，我們才有可能一直在光子科學(xué)設(shè)施方面保持比較先進的水平。
4 啟示：未來的光源怎么建?
NSR：在國內(nèi)，北京、合肥等地也在建設(shè)綜合性科學(xué)中心，而且也都計劃建設(shè)光源類的設(shè)施。這些光源之間是互相重復(fù)的，還是有互補關(guān)系的?
趙振堂：在這個方面，我們國家已經(jīng)做了一定的統(tǒng)籌布局。從能區(qū)來看，這幾個光源是有互補性的。前面說過，上海光源是一個3.5 GeV的中能區(qū)光源，具有比較好的性價比。現(xiàn)在北京正在建設(shè)的是6 GeV的高能光源，而合肥的是0.8 GeV和擬建的2.2 GeV的低能區(qū)光源。這些光源的應(yīng)用場景之間有一定的重合，但也是各有特色，在應(yīng)用上是互補的。從科學(xué)技術(shù)的發(fā)展需求來看，這三個能區(qū)的光源都是應(yīng)該部署的。
另外，目前我國科學(xué)家對于光源設(shè)施的需求非常旺盛，只靠上海光源是無法完全滿足這些需求的。目前，在我們收到的用戶實驗申請中，只有不到60%能通過我們的篩選，拿到機時，而且他們最終拿到的機時大概只有他們所申請機時數(shù)的四分之一。我看過一個統(tǒng)計，在中國科學(xué)家發(fā)表的、用到了同步輻射光源的研究論文中，有大約一半都是利用國外的同步輻射光源來完成的。也就是說，上海光源無法滿足全國用戶的需求。
NSR：所以從目前的情況來看，國內(nèi)再建一個中能區(qū)光源，也是有需求的?
趙振堂：我個人認為是有需求的。在目前的條件下，上海光源供不應(yīng)求，所以我們會組織專家對提出申請的研究項目進行比較苛刻的篩選，由相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家進行評審，挑選那些聚焦重大科學(xué)問題的項目優(yōu)先給予機時。在這樣的機制下，一部分剛剛起步，還沒有太多前期積累的研究項目是比較難拿到機時的。但是這些研究方向，以及它們背后可能還比較年輕的科研人員，也會產(chǎn)出重大成果，也都是需要支持的。如果我們再有一個中能區(qū)光源，將可以讓這些研究者都能有機會獲得相應(yīng)的機時資源。
NSR：建設(shè)光源等大科學(xué)裝置，所需要的不只是土地和投資，也需要相應(yīng)的人才，需要有經(jīng)驗的團隊。現(xiàn)在，我國有足夠多的人才來建設(shè)這么多大科學(xué)裝置嗎?
趙振堂：這的確是一個問題。現(xiàn)在我們有很多城市很有積極性，也愿意投入土地和經(jīng)費來支持大科學(xué)裝置的建設(shè)，但是我們能做這樣裝置的團隊并不多，如果將這些有積累和經(jīng)驗的骨干人才隨機地分散到各個裝置上去，結(jié)果很可能是一個裝置都做不好。
所以我認為，中國如果要建設(shè)更多的光源類裝置，也許不應(yīng)該繼續(xù)采用上海光源的建設(shè)模式，去組建一個龐大的團隊，獨立完成所有的設(shè)計和建造工作。或許可以借鑒某些國外經(jīng)驗，將研究機構(gòu)的相關(guān)技術(shù)轉(zhuǎn)移到一個專業(yè)的高科技公司，由高科技公司來承擔和完成很大一部分的設(shè)備建造工作。這樣的話，只需要一個比較小型的團隊，就可以把整個系統(tǒng)集成起來，高效地完成建設(shè)任務(wù)。
5 光源建設(shè)者的幸福時刻
NSR：你在光源領(lǐng)域工作了二十多年，哪些時刻讓你感到幸福?
趙振堂：首先我們作為大科學(xué)裝置的設(shè)計和建設(shè)者，在光源真正建成，并且達到設(shè)計性能的時候，會感覺非常高興。因為在這一天之前，所有這些指標都是寫在紙上的，而經(jīng)過了這么長時間的理論設(shè)計、技術(shù)攻關(guān)和集成調(diào)試，當這些藍圖和指標最終成為現(xiàn)實、達到了先進水平的那一刻，我們確實是非常開心的。
另外，當科學(xué)家們利用我們的光源，突破了他很長時間都沒能突破的難題，獲得了重要的科學(xué)成果，贏得了國內(nèi)外同行認可的時候，我們也會感到非常欣慰，甚至比自己獲得成果還高興。當然，這些成果是屬于用戶科學(xué)家的，是源于他們自己的科學(xué)想法的，但是在這些成果中，也確實體現(xiàn)了我們光源的價值，以及我們自己長期努力工作的價值。所以這是另外一個讓我們很有幸福感的時刻。
