2024年5月6日,中國科學院上海高等研究院舉辦“上海光源開放十五周年學術論壇”,科技界眾多領域專家學者與關心上海光源發(fā)展的領導和友人齊聚論壇,共話創(chuàng)新與發(fā)展。

上海光源是我國大陸第一臺第三代同步輻射光源,坐落在上海張江,由國家、中國科學院和上海市人民政府共同投資建設,于2004年12月25日開工建設,2009年4月29日竣工,2009年5月6日首批7條線站正式對用戶開放。經過后續(xù)線站建設,尤其是2016年11月20日開工的上海光源線站工程的建設,上海光源已有34條光束線和46個實驗站服務用戶實驗,成為現(xiàn)階段光子能區(qū)覆蓋最廣、運行線站數量最多的中能第三代同步輻射裝置,其總體性能和綜合實驗能力位居國際先進水平。

作為國家重大科技基礎設施,上海光源從建設到開放,始終聚焦國家戰(zhàn)略、前沿研究和產業(yè)發(fā)展重大需求,積極參與上??苿?chuàng)中心和張江綜合性國家科學中心建設,為科技發(fā)展和企業(yè)創(chuàng)新提供有力支撐。
開放十五年來,上海光源服務了全國34個省級行政區(qū)近800家單位、約4500多個研究團隊的超47000名用戶,支撐用戶完成了2萬多個實驗課題,在原子、分子尺度上解析和研究了許多重要的物質微觀結構和作用機理,解決了許多重要科學和關鍵技術問題,發(fā)表研究論文超過11000篇(包括《科學》《自然》《細胞》國際頂級刊物論文220多篇),在生命科學、材料科學、凝聚態(tài)物理、化學、能源環(huán)境和醫(yī)學等學科前沿和應用研究方面,取得了一系列重大研究成果,其中6項入選年度中國十大科技進展新聞,9項入選年度中國科學十大進展,5項入選國外重大科學進展或突破,還有8項獲得了國家自然科學獎、國家科技進步獎和國家科技發(fā)明獎。
發(fā)揮戰(zhàn)略科技力量,支撐科技創(chuàng)新并助力經濟高質量發(fā)展
上海光源推動我國結構生物學實現(xiàn)跨越式發(fā)展。支撐用戶在蛋白質復合物、膜蛋白以及新發(fā)流行病毒相關的蛋白質結構與功能研究中取得了一批具有國際影響的重要成果,其中4項成果入選中國十大科學進展、2項成果入選中國生命科學十大進展、1項成果入選中國醫(yī)學十大進展,1項成果獲得國家自然科學獎二等獎。這些成果,如轉錄激活樣效應蛋白特異性識別DNA的結構機理研究、首次解析人源GLUT1的三維晶體結構、解析光合物種硅藻捕光新機制、揭示抗結核新藥的靶點和作用機制等,促進了相關研究水平邁向國際前沿。與此并行,在面對病毒導致的新發(fā)性緊急公共衛(wèi)生事件時,上海光源支撐科學家第一時間利用大分子X射線衍射實驗平臺解析了一系列如禽流感、埃博拉、寨卡、基孔肯雅、新冠等病毒的相關蛋白結構并揭示其傳播機制,為新型病毒疫情的防控提供了重要依據,并為抗病毒藥物的研發(fā)奠定了堅實的基礎。此外,上海光源還進一步支持了多家科研機構與藥企聯(lián)合研發(fā)抗擊新冠病毒的亞單位重組疫苗、抗體藥物及小分子藥物等。
上海光源推動我國量子材料前沿研究取得系列重大突破。依托其光子能區(qū)覆蓋寬、能量分辨率高、光斑尺寸小等綜合性能國際先進的電子結構探測能力,用戶在拓撲物態(tài)、高溫超導、低維量子效應、新奇磁性等前沿研究領域取得一系列有重大國際影響力的突破性成果,其中“首次發(fā)現(xiàn)外爾費米子”和“實驗發(fā)現(xiàn)三重簡并費米子”入選中國科學十大進展和中國十大科技進展新聞,前者還入選美國《物理評論》125周年49篇精選論文,以及其他重要首次實驗發(fā)現(xiàn)成果包括“磁性外爾半金屬”“光陰極量子材料”“反鐵磁自旋劈裂”“一維狄拉克費米子”等,推動了量子材料新物性研究從理論預測到發(fā)現(xiàn)驗證。
上海光源推動我國能源催化領域取得若干重大原創(chuàng)成果。用戶充分利用上海光源眾多寬能譜、快時間分辨、高能量分辨多方法譜學線站,在電催化、燃料電池、甲烷轉化、氫氣制備、光催化、二氧化碳轉化等催化反應過程關鍵的構效關系研究中,取得一系列有國際影響力的重大原創(chuàng)成果。其中“甲烷的高效轉化”“氫氣低溫制備和存儲”等研究成果入選了當年的“中國十大科技進展”,“二氧化碳人工合成葡萄糖和脂肪酸”入選當年的“中國十大科技進展新聞”,具有普適性的“納米限域催化”研究獲2020年度“國家自然科學獎一等獎”。此外,由用戶科學家首先提出“單原子催化”概念并在上海光源率先完成實驗證實的系列成果入選了美國化學會評選出的2016年度化學化工領域“十大科研成果”,助推其相關研究成果完成一系列產業(yè)化應用。
上海光源推動我國高壓科學研究達到國際一流水平。通過持續(xù)發(fā)展高溫、高壓原位實驗技術和方法,不斷突破高壓壓力極限,靜態(tài)加載已超過400GP,動態(tài)加載超過600GPa,成為國際上綜合能力領先的同步輻射高壓科學研究實驗設施,推動用戶在材料科學、地球科學、前沿基礎科學等領域取得了一系列重要成果,如尋找到具有更高超導轉變溫度的鐵基超導體,解決了氮化硅陶瓷室溫脆性的世界性難題,對納米純金屬鎳的高壓變形研究刷新了對納米材料強化中臨界晶粒尺寸現(xiàn)象的認識,對地球氧循環(huán)過程提出了新的深部造氧理論等。
上海光源推動我國新材料創(chuàng)制取得多點突破。得益于上海光源原位動態(tài)實驗能力的不斷提升,用戶在新材料創(chuàng)制與器件研發(fā)取得了一系列突破性研究成果,包括新型光電材料、熱電材料、新型電池材料、多鐵材料、仿生材料、高分子材料、合金材料等領域,例如在鈣鈦礦光伏領域闡明銪離子對提升鈣鈦礦太陽能電池壽命的機理獲入選2019年度中國科學十大進展,發(fā)現(xiàn)SnQ (Q = Se, S)系列層狀材料對稱性的提升具有顯著的溫差發(fā)電效率和通電制冷性能,揭示貝殼的軟硬復合鉸鏈微觀結構可以抑制組織內應力集中的機理,實現(xiàn)無任何電極修飾且室溫可運行的全固態(tài)鋰電池,基于對局復雜外延薄膜的結構研究推動鈣鈦礦外延薄膜結構的多鐵異質結的廣泛應用,開展熔鹽堆合金制造和服役過程中應力形成機制和腐蝕、氧化機制原位研究等。
上海光源已成為我國基于結構的創(chuàng)新藥研發(fā)中不可或缺的關鍵一環(huán)。通過發(fā)展快速、智能化的小分子片段篩選技術,支撐用戶顯著縮短了基于結構的新藥研發(fā)周期,助力提升我國在全球醫(yī)藥研發(fā)領域的競爭力,已支撐4款藥物在國內外獲批上市。上海光源已為40余家藥物研發(fā)機構提供技術服務,其中百濟神州利用生物大分子晶體學線站開發(fā)的抗癌新藥“澤布替尼”于2019年11月在美國獲批上市,成功改變了中國抗癌藥“只進不出”的局面,成為我國首個年銷售額超過十億美元的藥物分子,其他成功上市的藥物包括PD-1抗體百澤安和華領醫(yī)藥的華堂寧,同時還有多款藥物正在進行臨床試驗。
上海光源面向產業(yè)應用助力解決多個關鍵技術“卡點”。通過強化“面向經濟主戰(zhàn)場”的服務能力,促進產學研合作,參與解決行業(yè)核心技術難題,推動行業(yè)創(chuàng)新和產業(yè)能級進階,例如上海光源突破極紫外光刻膠性能檢測關鍵技術,解決了國內極紫外光刻膠研發(fā)過程中的表征難題;通過原位觀測,解決核心工藝難題,支持高性能高強碳纖維材料國產化千噸量產,支持攻克車身一體化壓鑄成型技術,解決高性能高鐵接觸線連鑄工藝;支持開展復興號材料工藝改良驗證;支持化工領軍企業(yè)創(chuàng)制出2種具有國際分子篩結構代碼的新型分子篩。目前上海光源已為100多家企業(yè)提供定制化服務,涵蓋生物制藥、化學化工、新能源、高性能材料等領域,并通過創(chuàng)新合作方式建設石化產業(yè)應用專用線站,系統(tǒng)性、持續(xù)性解決其產業(yè)核心技術問題,提升行業(yè)核心競爭力、持續(xù)發(fā)展和技術創(chuàng)新能力。
持續(xù)開展核心技術攻關,打造自身硬實力
十五年來,上海光源在線站建設、關鍵技術研發(fā)、方法學研究方面齊頭并進,光源性能不斷提升,實驗方法大幅拓展,實驗能力持續(xù)增強,躋身于世界一流的第三代同步輻射裝置行列。
如今,上海光源的加速器總體性能處于第三代同步輻射光源的國際先進水平,某些方面獨具特色。上海光源的儲存環(huán)已安裝了24臺不同類型的插入件,光子能區(qū)從紅外覆蓋到20兆電子伏特的伽馬射線波段;建有束流純化系統(tǒng)和三次超導諧波腔束長拉伸系統(tǒng),可使儲存環(huán)工作在20毫安單束團+200毫安束團串共存的填充模式下,從而建立了皮秒級快速X射線成像實驗能力;改造成為帶有2個超強磁場彎轉磁鐵單元的儲存環(huán)磁聚焦結構,新增了儲存環(huán)硬X射線彎鐵光源點和激光電子束伽瑪源;雙斜角設計使得在兩個超長直線節(jié)和五個標準直線節(jié)共計建成了14條波蕩器束線。
上海光源的光束線站在數量和性能上均處于中能第三代同步輻射裝置的前列。目前,已在國際上率先建成一批性能領先的線站,如:同步輻射紅外與硬X射線跨能區(qū)組合聯(lián)用的復雜體系動力學研究線站、具有X射線單脈沖成像能力的快速X光成像線站、與同步輻射線站同步運行的低能激光伽馬線站、微束白光串行晶體學實驗站;建成一批性能指標國際前列的光束線站,如:百微米級聚焦的超硬多功能線站、光子通量密度最高的ppb級探測極限的中能譜學線站、同步輻射軟X射線與硬X射線跨能區(qū)組合聯(lián)用的逐層電子結構原位分析的能源材料研究線站、束斑優(yōu)于30納米的硬X射線納米探針線站、亞納米到微米連續(xù)結構研究的時間分辨超小角散射線站、適用于亞微米蛋白晶體分析的膜蛋白晶體學線站。此外,還在國內首次建成一批瞄準特殊應用的具有國際一流水平的光束線站,如:二級生物安全防護的P2生物防護蛋白質晶體學線站、放射性安全防護的稀有元素分析線站、適于大型工程部件原位研究的超硬多功能線站、工業(yè)級設備原位研究的時間分辨超小角散射線站。
上海光源已發(fā)展了衍射、譜學、散射、成像等近100種實驗方法,配套建設了用戶輔助實驗室和同步輻射數據中心,形成了系統(tǒng)的同步輻射實驗方法體系和用戶實驗支持能力。
上海光源的科研人員不斷進行關鍵核心技術攻關。在加速器方面重點發(fā)展了光源插入件技術,從真空內波蕩器、低溫永磁波蕩器、多種橢圓極化波蕩器、超導和永磁扭擺器等直至低溫和高溫超導波蕩器;自主發(fā)展了常溫射頻和超導高頻技術,研發(fā)了高性能的S/C/X波段加速結構和偏轉結構及微波功率倍增器,研制成功了500兆赫茲新型超導高頻腔模組和1500兆赫茲三次諧波超導高頻腔模組,還為X射線自由電子激光研發(fā)了1.3吉赫茲和3.9吉赫茲超導高頻腔模組;研發(fā)數字化加速器測控技術、高精度高頻低電平控制技術、高性能的逐束團束流診斷技術、脈沖多極鐵、定時系統(tǒng)、束流反饋和軌道反饋系統(tǒng),實現(xiàn)了恒流運行和亞微米束流軌道穩(wěn)定性。在光束線站方面自主研制了一批具有國際一流水平的核心關鍵元件及技術設備。X射線光學元件實現(xiàn)重大突破,自主研制成功50納弧度長程面形儀,自主研制1000毫米大尺寸超高精度X射線反射鏡并進入實用階段,國內聯(lián)合攻關研制成功具有國際先進水平的高反射率硬X射線橢球聚焦鏡;在廣泛的光子能區(qū)內實現(xiàn)了光束線核心設備—單色器的國產化,形成了覆蓋軟X射線、硬X射線到超硬X射線的10種類型的高性能單色器系列;自主研制了系列關鍵設備,如亞微弧度壓彎鏡、水冷四刀白光狹縫、精密單色光狹縫、白光X射線位置探測器、單色光四象限高精度位置探測器等系列設備。自主設計研制了自旋角分辨光電子能譜儀、軟X射線共振非彈性散射光譜儀、軟X射線發(fā)射譜儀、硬X射線高分辨發(fā)射譜儀、納米角分辨光電子能譜儀、矢量磁場磁二色譜儀、納米CT成像系統(tǒng)和掃描透射軟X射線顯微成像系統(tǒng)等多臺高端實驗裝備。
匯聚科技創(chuàng)新人才,形成科技創(chuàng)新合力
十五年來,上海光源像一艘“科研航空母艦”,在眾多的學科領域中乘風破浪,匯聚了國內外一批各相關專業(yè)頂尖學者和優(yōu)秀團隊,他們當中有82位中國科學院和中國工程院院士、超過100位長江學者和國家重點研發(fā)計劃首席科學家,以及300多位國家杰出青年基金和中國科學院百人計劃項目入選者等領銜的青年科學家團隊。他們依托上海光源這一創(chuàng)新平臺開展前沿科學實驗研究,不僅產出了大量科研成果,同時培養(yǎng)了一大批青年科學家,其中一部分已經成長為不同領域的領軍人才。
從建設到開放、從運行到發(fā)展,上海光源還為我國同步輻射光源領域培養(yǎng)造就了一批能建設、運行以及開展應用研究的專業(yè)型大科學裝置人才,他們的身影已出現(xiàn)在國內外許多加速器光源裝置上和相關的研究領域里,為科技進步和建設科技強國而努力。
十五年來,我國同步輻射光源經歷了從緊追國際同步輻射光源發(fā)展,到跨入國際同步輻射先進行列的轉型。上海光源的骨干團隊除了上海光源裝置建設任務,還負責建成了首臺國產質子治療裝置、大連極紫外和上海軟X射線自由電子激光裝置,并作為主要成員參與上海硬x射線自由電子激光裝置建設等等。更將所研發(fā)的電子直線加速器、波蕩器和扭擺器、定時系統(tǒng)和高頻低電平系統(tǒng)等技術和設備輸出到了巴西SIRIUS光源、韓國PLS-II光源、加拿大CLS光源、日本SuperKEKB對撞機、合肥HLS-II光源、北京BEPC-II對撞機和CSNS散裂中子源等。通過這些大科學裝置的建設和關鍵技術設備研發(fā),上海光源團隊得到全面系統(tǒng)地鍛煉,成為了中國加速器光源領域的一支生力軍,他們始終踐行著以“嚴謹高效、勇攀高峰的創(chuàng)新精神;實事求是、精益求精的科學精神;團結協(xié)作、頑強拼搏的奉獻精神”為內核的“上海光源精神”,正瞄準著更高的目標,不斷奮進。
十五年在科技發(fā)展的長河中只是短短一瞬,但是我國的同步輻射光源發(fā)展和科學應用卻發(fā)生了歷史性巨變,上海光源為能在其中發(fā)揮關鍵推動作用感到光榮。當前我國同步輻射應用需求持續(xù)增長,用戶群體日益壯大,為新一輪同步輻射裝置發(fā)展注入了強勁動力。站在發(fā)展的新起點上,中國科學院上海高等研究院將圍繞國家重大戰(zhàn)略需求,進一步強化上海光源大科學設施的科技策源能力,搶占科技制高點;同時,進一步夯實超強X射線輻射物理與技術的創(chuàng)新策源地功能,不斷進行原理和技術創(chuàng)新,建設上海新一代同步輻射光源,為實現(xiàn)高水平科技自立自強貢獻力量。