在上海張江科學(xué)城地下30米深處，一條長(zhǎng)達(dá)3.11公里的“地下巨龍”正悄然覺(jué)醒。這就是我國(guó)唯一、全球唯二的高重頻硬X射線自由電子激光裝置——上海硬X射線自由電子激光裝置（SHINE）。

這座總投資100億的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——從2018年開(kāi)工到2024年隧道全線貫通，再到2025年即將實(shí)現(xiàn)首次出光，即將點(diǎn)亮人類觀測(cè)微觀世界的全新“燈塔”。

作為全球僅有的兩臺(tái)基于連續(xù)波超導(dǎo)加速技術(shù)的高重頻X射線激光裝置之一，SHINE的X射線峰值亮度將達(dá)到第三代同步輻射光源的十億倍，脈沖短至飛秒級(jí)（1秒的一千萬(wàn)億分之一），使科學(xué)家得以拍攝原子運(yùn)動(dòng)的“分子電影”。

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地下“巨龍”

上海硬X射線自由電子激光裝置是“十三五”國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)先啟動(dòng)項(xiàng)目，由上?？萍即髮W(xué)牽頭，聯(lián)合中科院上海高等研究院、上海光學(xué)精密機(jī)械研究所共建，總投資約100億元，于2018年4月正式開(kāi)工。

這座深埋地下29米的“地下科學(xué)城”，由直線加速器隧道、波蕩器隧道、光束線隧道構(gòu)成，總長(zhǎng)3110米，相當(dāng)于34個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)首尾相連。這個(gè)裝置的核心建設(shè)內(nèi)容包括8GeV兆赫茲級(jí)高重頻超導(dǎo)直線加速器、3條覆蓋0.4-25千電子伏特光子能量的波蕩器線、3條光學(xué)束線及首批10個(gè)實(shí)驗(yàn)站，可實(shí)現(xiàn)從單分子成像到極端光物理研究的全場(chǎng)景覆蓋。

2018年4月開(kāi)工以來(lái)，建設(shè)團(tuán)隊(duì)首先要攻克的是“地下迷宮”的施工難題：5個(gè)工作井需貫穿運(yùn)營(yíng)中的上海地鐵13號(hào)線，最近距離僅1.8米，垂直凈距3.6米——這是上海首次“三穿三”軌道穿越施工。為避免地鐵沉降，施工團(tuán)隊(duì)采用“克泥效壓注”“環(huán)箍注漿”等技術(shù)，將13號(hào)線沉降控制在3毫米內(nèi)，堪稱“毫米級(jí)”的地下平衡術(shù)。

2022年12月，隨著1至5號(hào)工作井隧道全線貫通，SHINE的“骨架”初現(xiàn)；2024年，注入器甚高頻電子槍完成集成并順利出束，標(biāo)志著電子束源頭被打通；同年，3套2K低溫工廠成功降溫至-271.15℃（接近絕對(duì)零度），為超導(dǎo)加速模組提供“極寒動(dòng)力”。

如今，隧道內(nèi)設(shè)備安裝已進(jìn)入尾聲，5個(gè)工作井中，1至4號(hào)井及基地全面進(jìn)入工藝設(shè)備安裝階段，5號(hào)井正進(jìn)行公用設(shè)施收尾——這座“地下巨龍”正以肉眼可見(jiàn)的速度“蘇醒”。

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“光劍出鞘”

2025年，SHINE將迎來(lái)激動(dòng)人心的“出光”時(shí)刻——計(jì)劃年內(nèi)實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)直線加速器調(diào)試與首次自由電子激光放大“出光”。

屆時(shí)，當(dāng)8GeV高能電子束在超導(dǎo)加速器中被加速至接近光速，進(jìn)入波蕩器后在周期性磁場(chǎng)中“舞動(dòng)”，產(chǎn)生波長(zhǎng)短至0.05納米的硬X射線激光脈沖，其峰值亮度預(yù)計(jì)達(dá)10^17光子/秒/平方毫米，比第三代同步輻射光源高10億倍，脈沖寬度壓縮至飛秒級(jí)（1秒的千萬(wàn)億分之一）。

這束光不僅將驗(yàn)證裝置設(shè)計(jì)的科學(xué)性，更將為后續(xù)實(shí)驗(yàn)站提供“分子電影”級(jí)的觀測(cè)能力——從捕捉電池材料中的鋰離子遷移，到解析蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)構(gòu)象，一切超快過(guò)程都將無(wú)所遁形。

這一過(guò)程被科學(xué)家比喻為“用激光筆照亮原子世界”，標(biāo)志著我國(guó)正式邁入“硬X射線自由電子激光俱樂(lè)部”。

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極致之光

據(jù)介紹，SHINE的獨(dú)特性在于“雙會(huì)聚”能力——既是國(guó)際最高重頻的硬X射線自由電子激光，又能與超強(qiáng)超短激光深度耦合。這一設(shè)計(jì)使其成為全球唯一能同時(shí)輸出硬X射線與極端光場(chǎng)的平臺(tái)，為研究物質(zhì)在極端條件下的行為提供“雙視角”。

值得一提的是，這個(gè)裝置的性能參數(shù)堪稱硬核：光子能量覆蓋0.4-25keV，可探測(cè)接近原子尺度的結(jié)構(gòu)；單脈沖能量達(dá)毫焦耳級(jí)，足以激發(fā)材料中的非線性效應(yīng)；高相干性則確保衍射圖案的精度達(dá)到埃級(jí)（10^-10米）。

更關(guān)鍵的是，SHINE采用模塊化設(shè)計(jì)，3條波蕩器線與10個(gè)實(shí)驗(yàn)站可靈活切換，滿足從單分子成像到極端光物理的多元需求。正如該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員所言：“這不是一臺(tái)裝置，而是一個(gè)跨學(xué)科的科研生態(tài)系統(tǒng)。”

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科學(xué)革命

事實(shí)上，SHINE的意義遠(yuǎn)超一臺(tái)科研工具——SHINE的硬X射線如同打開(kāi)微觀宇宙的鑰匙，將催生多學(xué)科顛覆性突破。

在科學(xué)研究層面，它將為材料科學(xué)提供“原子級(jí)顯微鏡”，揭示高溫超導(dǎo)體的量子糾纏機(jī)制；在生命科學(xué)中，可動(dòng)態(tài)追蹤蛋白質(zhì)折疊過(guò)程，加速靶向藥物研發(fā)；在能源領(lǐng)域，更能解析光催化反應(yīng)中的電荷轉(zhuǎn)移路徑，推動(dòng)清潔能源技術(shù)突破。

從技術(shù)層面來(lái)看，SHINE帶動(dòng)了超導(dǎo)技術(shù)、精密加工、低溫工程等領(lǐng)域的自主創(chuàng)新。例如，我國(guó)成為第二個(gè)掌握常溫射頻連續(xù)波電子槍技術(shù)的國(guó)家，相關(guān)技術(shù)已應(yīng)用于半導(dǎo)體設(shè)備國(guó)產(chǎn)化。

更深遠(yuǎn)的影響在于，SHINE與上海光源、軟X射線裝置等組成世界級(jí)光子科學(xué)集群，使中國(guó)與美歐形成三足鼎立格局。

未來(lái)，當(dāng)全球頂尖的科學(xué)家匯聚上海張江，這里不僅將成為“光子科學(xué)的麥加”，更將重塑中國(guó)在國(guó)際科研規(guī)則制定中的話語(yǔ)權(quán)。