今天，我国迄今为止投资最大、建设周期最长的国家重大科技基础设施项目——硬X射线自由电子激光装置在上海张江综合性国家科学中心开工建设。这一总投资近100亿元的“大国重器”计划于2025年竣工并投入使用，为科研用户提供高分辨成像、先进结构解析、超快过程探索等尖端研究手段。
X射线自由电子激光装置是各个科技强国争相发展的大型加速器。目前，规模最大、性能最好的是欧洲X射线自由电子激光装置和美国直线加速器相干光源Ⅱ，前者去年建成，后者在建设中。上海装置的规模与它们相当，性能各有千秋，建成后将形成三足鼎立格局。
如今，这一领域的国际合作形势不容乐观，竞争的意味越来越浓，这让上海科研团队憋足了一股劲。“在建设过程中，我们一定要立足自主研发，把核心技术、关键技术掌握在自己手里！”硬X射线自由电子激光装置工程副经理王东研究员说。
上海硬X射线自由电子激光装置结构示意图
上海“兜底”出资建顶级装置
自由电子激光是以自由电子为工作介质产生的强相干辐射，也是目前世界上最先进的X光光源，能发出波长0.01—0.1纳米的硬X射线。上海交通大学教授王宇杰介绍，这种“非一般”激光具有三大特点：超高亮度、超短脉冲、完全相干性。
峰值亮度上，自由电子激光比“上海光源”等第三代同步辐射光源高10亿倍左右，而同步辐射光的峰值亮度比太阳光高1亿倍以上，可见自由电子激光亮度之高。自由电子激光的脉冲则超短，达到飞秒量级（1秒的1000万亿分之一）。“超高亮度、超短脉冲这对组合，为科学研究提供了利器。”硬X射线自由电子激光装置工程副经理刘志教授说，超高亮度光源照射到生物活体细胞等样品后会损坏它，但自由电子激光的成像时间达到飞秒量级，所以在样品受损前的一刹那，就已拍摄到科学家渴求的“分子电影”。
上海要成为具有全球影响力的科技创新中心，需要拥有自由电子激光。它与第三代同步辐射光源、国家蛋白质科学设施、超强超短激光等组成国际领先的光子科学设施集群，能吸引全球科学家到张江开展最前沿的探索。
上海张江综合性国家科学中心的光子科学设施集群
王东告诉解放日报·上观新闻记者，“硬X射线自由电子激光装置”多年前就被写入《国家重大科技基础设施建设中长期规划（2012—2030年）》，2016年又被列入《国家重大科技基础设施建设“十三五”规划》。一开始，科学界设想的方案是利用常温技术建造低重复频率装置，造价近20亿元。然而上海加快建设科创中心以来，市委市政府与国家发展改革委、中科院多次讨论，最终决定：瞄准国际先进水平，采用低温超导技术，建造高重复频率硬X射线自由电子激光装置。其综合性能是低重复频率装置的100—1000倍，造价也随之跃升，高达95亿元左右。
对于这个我国史上投资最大的科技基础设施，市委市政府鼎力支持——国家发展改革委出资20亿元，其余经费由上海市“兜底”。上海市政府还出资7.7亿元，支持项目团队研发超导高频等领域的核心技术和关键技术。
中欧对等合作，美方婉拒交流
最高标准、重金投入，让中国迈向光子大科学装置的全球第一梯队。在这个梯队中，除了上海硬X射线自由电子激光装置外，还有德国汉堡的欧洲X射线自由电子激光装置、美国硅谷的直线加速器相干光源Ⅱ。三者都采用最先进的超导高频技术。
近两年，参与建设上海装置的中国科学家与美国、欧洲相关科研机构联系，谋求合作，不料遇到了一些波折。王东介绍，自由电子激光装置属于基础科研领域，原本是很开放的，各国科学家都会坦诚交流。但是近两年来，国际上大有竞争替代合作之势，一些发达国家对待中国科研单位的态度发生了明显变化。
去年，当得知中国要建造一个与欧洲X射线自由电子激光至少同等水平的装置后，欧洲科研机构的合作态度变得十分微妙。不过随着双方交流的深入，大家意识到，中国科研团队掌握的技术有独特之处。于是，双方商定：更多地基于基本对等的技术交换方式，开展合作。
对于中国科研团队发出的交流合作邀请，美国科研机构则予以婉拒。无论是婉拒交流，还是技术交换，都激励上海科学家以更大的热忱投身自主研发。“就像习近平总书记说的，核心技术、关键技术，化缘是化不来的。”王东说，“我们必须自主研发出更多的核心技术和关键技术，这样才能在国际合作和竞争中拥有主动权，获得更大的选择余地。”
刘志还指出，自由电子激光领域的中美、中欧合作其实是大势所趋，能实现共赢，“上海张江的大门始终向各国科学家敞开”。
突破核心技术的自信来自哪里
刘志介绍，上海硬X射线自由电子激光装置工程的技术难度很大。装置总长约3.1公里，将建设埋深29米的地下隧道，包含超导直线加速器隧道、波荡器隧道、光束线隧道等10条隧道及5个工作井。装置主要由4个部分组成：超导加速器、光束线、实验站和配套公用设施。两个实验大厅分别设在张江实验室、上海科技大学。
超导加速器是装置的核心部分，包括一台能量100兆电子伏特的电子注入器、一台能量8吉电子伏特的连续波超导直线加速器、3条产生X射线（光子能量覆盖0.4—25 千电子伏特）的高重复频率自由电子激光放大器。而超导高频加速模组，是超导加速器里的核心部件。这个模组长约12米，由数千个零部件构成，结构非常复杂。其中的高频腔部件由低温超导材料制成，浸泡在零下271.15摄氏度的液氦中，能产生高梯度电场，将自由电子加速到光速。王东和刘志表示，项目团队有信心通过自主研发，在未来三四年里取得核心技术突破。
这份自信，来自上海的科研实力和人才优势——目前，我国共有5个已建成或在建的高增益自由电子激光装置，全部由上海科研机构负责研发和集成。这一领域的国内研发人才，90%左右集中在上海。
这份自信，来自我国日益提升的高端制造业实力——高增益自由电子激光装置的很多重要部件，已实现国产。如低温恒温器，由无锡一家企业制造；又如大晶粒超导腔，由宁夏一家超导科技公司生产。
这份自信，也来自上海的科研布局——去年底，上海启动了3个市级科技重大专项，“高重频硬X射线自由电子激光预研”是其中之一，为核心技术攻关提供了充分的人力和财力保障。
“工程才刚开始，有大量的技术挑战等待我们去征服。”王东告诉记者。未来的7年里，项目团队将全身心投入自主研发，力争让上海硬X射线自由电子激光装置成为全球最先进、最高效的科研光源。“我们也希望，这个领域的国际合作尽早回到正常轨道，”刘志说，“这对各国的前沿科技发展都有利。”(作者 俞陶然)
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