在懷柔雁棲湖畔，一個(gè)周長(cháng)1.36千米的“放大鏡”形建筑群占據了967畝的區域，約90個(gè)足球場(chǎng)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(chǎn)生世界“最亮的光”又邁進(jìn)了一步。

　　從星辰大海到生命演化，人類(lèi)對未知領(lǐng)域的探索離不開(kāi)大科學(xué)設施。在懷柔科學(xué)城，一座座“大國重器”正在落成。其中，這個(gè)被稱(chēng)為“探測微觀(guān)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。

　　填補空白的“追光人”

　　“為這一束電子束，我們等了約十五年。”中國科學(xué)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(zhì)世界。李京祎和同事，是一群“追光的人”。

　　上世紀40年代末，科學(xué)界發(fā)現：就像雨中快速轉動(dòng)的雨傘，傘邊緣切線(xiàn)方向會(huì )飛出一簇簇水珠一樣，當高能電子束團被強迫在環(huán)形同步加速器上以接近于光速做回旋運動(dòng)時(shí)，也會(huì )在切線(xiàn)方向發(fā)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(guān)察到物質(zhì)的微觀(guān)結構。自此，世界各國開(kāi)始了建設同步輻射裝置來(lái)構建光源的“競賽”。

　　北京，是我國第一個(gè)大科學(xué)設施的誕生地。

　　玉泉路旁，北京正負電子對撞機“一機兩用”，進(jìn)行著(zhù)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(chǎn)出一系列世界級科研成果，世界上第一個(gè)SARS冠狀病毒主蛋白酶蛋白質(zhì)的晶體結構就在此得到解析。

　　而為了“看”到納米級的物質(zhì)結構，放眼世界，發(fā)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(shí)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(shí)針轉回2008年。這群“追光人”開(kāi)始對建設高能同步輻射光源的必要性和可行性進(jìn)行論證，歷經(jīng)近10年攻關(guān)，驗證了技術(shù)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(xué)城。

　　2019年6月，高能同步輻射光源破土動(dòng)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(zhù)一份工程建設總進(jìn)度計劃圖，宏大的工程被細致分解為82步，成為52個(gè)分系統人員的“指揮棒”。一個(gè)個(gè)時(shí)間節點(diǎn)穩步推進(jìn)的背后，是參與者廢寢忘食忙碌的身影。

　　自主創(chuàng )新啃下“硬骨頭”

　　要造出第四代高能同步輻射光源，點(diǎn)亮最“亮”的同步光，物理和硬件技術(shù)上要啃的“硬骨頭”一個(gè)接一個(gè)。

　　“其實(shí)，每一個(gè)大科學(xué)設施的建設，必然會(huì )遇到難題，這是避不開(kāi)的，只能面對它們，并且解決它們。”李京祎說(shuō)。

　　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(dòng)控制目標要小于25納米，即要實(shí)現結構“零沉降”。納米，這個(gè)從未出現在建筑規范中的單位，卻是未來(lái)光源實(shí)驗精度的重要保障。裝置建設團隊反復試驗，用4個(gè)月里無(wú)數次失敗最終換來(lái)了答案：他們將光源儲存環(huán)隧道及實(shí)驗大廳地基用厚達3米的素混凝土進(jìn)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(guān)重重。

　　光源直線(xiàn)加速器是電子的源頭和第一級加速器，電子束要通過(guò)它加速到0.5吉電子伏特的高能量。這其中的關(guān)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(lèi)似的設備，但其安裝的是基于老式人工線(xiàn)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(tài)調制器。

　　不過(guò)，“升級款”的固態(tài)調制器，全世界僅有一家企業(yè)有成熟產(chǎn)品，且價(jià)格十分昂貴。“我們下了決心，一定要自己研制出來(lái)。”李京祎語(yǔ)氣堅定。

　　團隊成員從理論模型的建立開(kāi)始，反復分析優(yōu)化，并不斷鉆研優(yōu)化變壓器繞線(xiàn)和整機集成工藝。“高壓脈沖變壓器是固態(tài)調制器的核心技術(shù)，不同的走線(xiàn)、纏繞方式，都會(huì )影響到產(chǎn)品的性能。我們前后鉆研了3年，迭代了6個(gè)版本，實(shí)現了設計指標。”

　　最終，當固態(tài)調制器“就位”于光源現場(chǎng)，一項項測試數據在屏幕上跳動(dòng)，均達到“滿(mǎn)分”標準。這是代級的躍變！

　　期待世界“最亮的光”

　　歷時(shí)近4年建設，曾經(jīng)的荒草地上已經(jīng)“長(cháng)”出了三棟主體建筑，最大的圓環(huán)狀建筑便是光源的核心。

　　“在光源的建設過(guò)程中，北京市、懷柔區和懷柔科學(xué)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(xiàn)’。”李京祎說(shuō)起，2022年冬天，是光源主體建筑封頂、科研設備啟動(dòng)安裝的首個(gè)冬天。由于科研設備的準直精度普遍在10微米量級，環(huán)境溫度的細微變化，都會(huì )導致設備準直精度下降。以?xún)Υ姝h(huán)為例，其環(huán)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(xié)調，及時(shí)解決了光源裝置區的水、電、供暖等問(wèn)題。“那個(gè)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(xiàn)加速器“滿(mǎn)能量”出束，率先迎來(lái)“開(kāi)門(mén)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(zhù)，這座“大國重器”進(jìn)入科研設備安裝、調束并行階段，向產(chǎn)生世界最“亮”的同步光再邁進(jìn)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(huán)形加速跑道”——儲存環(huán)的安裝正在進(jìn)行。光源投入運行后，儲存環(huán)中電子束在奔跑的過(guò)程中，將產(chǎn)生高亮度的同步光，幫助科研人員“照亮”實(shí)驗樣品，更好地解析物質(zhì)的微觀(guān)結構及演變。

　　與儲存環(huán)一墻之隔，便是未來(lái)供用戶(hù)開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗的實(shí)驗站，大到飛機發(fā)動(dòng)機、小到病毒蛋白質(zhì)，都能在這里“體檢”。

　　“基礎研究是科技發(fā)展的基石，我們期待光源的第一束光盡快到來(lái)！”李京祎說(shuō)。

　　懷柔科學(xué)城藍圖正變?yōu)楝F實(shí)

　　2017年5月

　　國家發(fā)改委、科技部正式批復北京懷柔綜合性國家科學(xué)中心建設方案，明確以懷柔科學(xué)城為核心承載區進(jìn)行建設。同年，懷柔科學(xué)城擴展至密云，整個(gè)科學(xué)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(xué)城首個(gè)大科學(xué)裝置——綜合極端條件實(shí)驗裝置啟動(dòng)建設。

　　2021年

　　地球系統數值模擬裝置落成，“把地球裝進(jìn)實(shí)驗室”，成為我國首個(gè)研制成功的地球系統數值模擬大科學(xué)裝置，也是懷柔科學(xué)城首個(gè)落成啟用的大科學(xué)裝置。

　　2023年3月14日

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

　　多模態(tài)跨尺度生物醫學(xué)成像設施和子午工程二期預計年內投入試運行。

　　目前

　　懷柔科學(xué)城“十三五”時(shí)期布局的29個(gè)重大科技設施平臺項目土建工程已全部完工，進(jìn)入建設與運營(yíng)并重階段。

　　2023年底

　　城市客廳項目預計具備整體入駐條件，營(yíng)造契合科學(xué)家需求的高品質(zhì)國際化城市生活氛圍。

　　創(chuàng )新密碼

　　用“大裝置”聚集天下英才

　　多模態(tài)跨尺度生物醫學(xué)成像設施工程竣工，將實(shí)現高端生物醫學(xué)影像儀器裝備的“中國創(chuàng )造”；我國首個(gè)具有自主知識產(chǎn)權的地球系統數值模擬裝置——“寰”通過(guò)國家驗收，成為懷柔科學(xué)城第一個(gè)正式運行的國家重大科技基礎設施；綜合極端條件實(shí)驗裝置進(jìn)入科研狀態(tài)……

　　從正式獲批建設至今，6年時(shí)間，懷柔科學(xué)城成為生機勃勃的科學(xué)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(xué)設施平臺。

　　伴隨著(zhù)大科學(xué)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(xué)中心空間科學(xué)實(shí)驗室掛牌后發(fā)射的首個(gè)科學(xué)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(shí)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(yōu)化提供科學(xué)支撐；

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

　　……

　　懷柔科學(xué)城正向著(zhù)世界級原始創(chuàng )新策源地發(fā)起沖擊。

　　在清華大學(xué)公共管理學(xué)院教授、中國科技政策研究中心副主任梁正看來(lái)，重大科學(xué)基礎設施是“大科學(xué)時(shí)代”科技發(fā)展的產(chǎn)物，其有助于提升國家創(chuàng )新體系整體效能，提高我國原始創(chuàng )新能力，實(shí)現關(guān)鍵核心技術(shù)突破。

　　“依托大科學(xué)設施來(lái)吸引和凝聚全球科學(xué)家和人才，是國際上比較通行的做法。”梁正說(shuō)，北京歷來(lái)重視重大科學(xué)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(shí)現了高能物理領(lǐng)域多位實(shí)驗物理學(xué)家與理論物理學(xué)家的“引進(jìn)來(lái)”和“走出去”。懷柔科學(xué)城依托大科學(xué)設施集群，也提出了針對外籍人才的開(kāi)放共享戰略，推出相關(guān)城市服務(wù)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(shí)，也需要系統謀劃完善發(fā)現、引進(jìn)、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(xué)城的重點(diǎn)任務(wù)。人才社區陸續竣工、基礎教育資源不斷增強、著(zhù)力打造生態(tài)宜居創(chuàng )新示范區……“遠看是花園、近看是家園”的宜業(yè)宜居環(huán)境正在這里形成。

　　親歷者說(shuō)

　　中科院物理所懷柔研究部主任呂力：

　　“這是物理學(xué)家夢(mèng)寐以求的研究平臺”

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

　　所謂極端條件是指在實(shí)驗室中人為創(chuàng )造出來(lái)達到或接近目前技術(shù)極限的條件。上述這組條件，意味著(zhù)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(chǎng)高出幾十萬(wàn)倍的強磁場(chǎng)，以及能捕捉到千萬(wàn)億分之一秒畫(huà)面的“高速攝影機”。

　　“這是全世界物理學(xué)家夢(mèng)寐以求的研究平臺。”呂力說(shuō)，“如果把綜合極端條件下的科學(xué)探索過(guò)程比喻成探礦尋寶，有了這個(gè)綜合極端條件實(shí)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(gè)身份是綜合極端條件實(shí)驗裝置首席科學(xué)家。近年來(lái)，利用極端實(shí)驗條件取得創(chuàng )新突破，已成為科學(xué)研究發(fā)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(kāi)始籌劃綜合極端條件實(shí)驗裝置的建設。四年后，呂力第一次來(lái)到懷柔，參與裝置的選址工作，“當時(shí)，裝置所在的這片區域還都是農田、林地，后來(lái)，懷柔科學(xué)城慢慢建起來(lái)了，雁棲湖已經(jīng)成為‘國際會(huì )都’，周?chē)沫h(huán)境真是大變樣。”

　　2017年，綜合極端條件實(shí)驗裝置正式啟動(dòng)建設。這是懷柔科學(xué)城內第一個(gè)開(kāi)工的國家重大科技基礎設施，也是第一個(gè)進(jìn)入科研狀態(tài)的大科學(xué)設施。它與其他大科學(xué)設施相比，最大的特點(diǎn)在于綜合化、集群化，每個(gè)極端條件都不是獨立的，是“強強聯(lián)合”，幫助科研人員進(jìn)行全面、系統的研究。

　　建設大科學(xué)設施的過(guò)程，也是攻關(guān)克難的過(guò)程。呂力提到，有些儀器購買(mǎi)困難，研究人員就從零開(kāi)始、自主研發(fā)。2022年12月20日，綜合極端條件實(shí)驗裝置全面進(jìn)入試運行階段，20個(gè)平臺均面向中外用戶(hù)開(kāi)放預約。科學(xué)家們第一次可以在家門(mén)口做實(shí)驗，自是難掩激動(dòng)。首批通過(guò)性能工藝測試的5個(gè)實(shí)驗站開(kāi)放普通課題預約申請時(shí)，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(yè)的一線(xiàn)科研團隊。

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