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追光奋进十五载,逐源争先攀高峰——上海光源迎来开放十五周年
时间 : 2024-05-06     

2024年5月6日,中国科学院上海高等研究院举办“上海光源开放十五周年学术论坛”,科技界众多领域专家学者与关心上海光源发展的领导和友人齐聚论坛,共话创新与发展。  

上海光源是我国大陆第一台第三代同步辐射光源,坐落在上海张江,由国家、中国科学院和上海市人民政府共同投资建设,于2004年12月25日开工建设,2009年4月29日竣工,2009年5月6日首批7条线站正式对用户开放。经过后续线站建设,尤其是2016年11月20日开工的上海光源线站工程的建设,上海光源已有34条光束线和46个实验站服务用户实验,成为现阶段光子能区覆盖最广、运行线站数量最多的中能第三代同步辐射装置,其总体性能和综合实验能力位居国际先进水平。

作为国家重大科技基础设施,上海光源从建设到开放,始终聚焦国家战略、前沿研究和产业发展重大需求,积极参与上海科创中心和张江综合性国家科学中心建设,为科技发展和企业创新提供有力支撑。 

开放十五年来,上海光源服务了全国34个省级行政区近800家单位、约4500多个研究团队的超47000名用户,支撑用户完成了2万多个实验课题,在原子、分子尺度上解析和研究了许多重要的物质微观结构和作用机理,解决了许多重要科学和关键技术问题,发表研究论文超过11000篇(包括《科学》《自然》《细胞》国际顶级刊物论文220多篇),在生命科学、材料科学、凝聚态物理、化学、能源环境和医学等学科前沿和应用研究方面,取得了一系列重大研究成果,其中6项入选年度中国十大科技进展新闻,9项入选年度中国科学十大进展,5项入选国外重大科学进展或突破,还有8项获得了国家自然科学奖、国家科技进步奖和国家科技发明奖。 

发挥战略科技力量,支撑科技创新并助力经济高质量发展 

上海光源推动我国结构生物学实现跨越式发展。支撑用户在蛋白质复合物、膜蛋白以及新发流行病毒相关的蛋白质结构与功能研究中取得了一批具有国际影响的重要成果,其中4项成果入选中国十大科学进展、2项成果入选中国生命科学十大进展、1项成果入选中国医学十大进展,1项成果获得国家自然科学奖二等奖。这些成果,如转录激活样效应蛋白特异性识别DNA的结构机理研究、首次解析人源GLUT1的三维晶体结构、解析光合物种硅藻捕光新机制、揭示抗结核新药的靶点和作用机制等,促进了相关研究水平迈向国际前沿。与此并行,在面对病毒导致的新发性紧急公共卫生事件时,上海光源支撑科学家第一时间利用大分子X射线衍射实验平台解析了一系列如禽流感、埃博拉、寨卡、基孔肯雅、新冠等病毒的相关蛋白结构并揭示其传播机制,为新型病毒疫情的防控提供了重要依据,并为抗病毒药物的研发奠定了坚实的基础。此外,上海光源还进一步支持了多家科研机构与药企联合研发抗击新冠病毒的亚单位重组疫苗、抗体药物及小分子药物等。 

上海光源推动我国量子材料前沿研究取得系列重大突破。依托其光子能区覆盖宽、能量分辨率高、光斑尺寸小等综合性能国际先进的电子结构探测能力,用户在拓扑物态、高温超导、低维量子效应、新奇磁性等前沿研究领域取得一系列有重大国际影响力的突破性成果,其中“首次发现外尔费米子”和“实验发现三重简并费米子”入选中国科学十大进展和中国十大科技进展新闻,前者还入选美国《物理评论》125周年49篇精选论文,以及其他重要首次实验发现成果包括“磁性外尔半金属”“光阴极量子材料”“反铁磁自旋劈裂”“一维狄拉克费米子”等,推动了量子材料新物性研究从理论预测到发现验证。 

上海光源推动我国能源催化领域取得若干重大原创成果。用户充分利用上海光源众多宽能谱、快时间分辨、高能量分辨多方法谱学线站,在电催化、燃料电池、甲烷转化、氢气制备、光催化、二氧化碳转化等催化反应过程关键的构效关系研究中,取得一系列有国际影响力的重大原创成果。其中“甲烷的高效转化”“氢气低温制备和存储”等研究成果入选了当年的“中国十大科技进展”,“二氧化碳人工合成葡萄糖和脂肪酸”入选当年的“中国十大科技进展新闻”,具有普适性的“纳米限域催化”研究获2020年度“国家自然科学奖一等奖”。此外,由用户科学家首先提出“单原子催化”概念并在上海光源率先完成实验证实的系列成果入选了美国化学会评选出的2016年度化学化工领域“十大科研成果”,助推其相关研究成果完成一系列产业化应用。 

上海光源推动我国高压科学研究达到国际一流水平。通过持续发展高温、高压原位实验技术和方法,不断突破高压压力极限,静态加载已超过400GP,动态加载超过600GPa,成为国际上综合能力领先的同步辐射高压科学研究实验设施,推动用户在材料科学、地球科学、前沿基础科学等领域取得了一系列重要成果,如寻找到具有更高超导转变温度的铁基超导体,解决了氮化硅陶瓷室温脆性的世界性难题,对纳米纯金属镍的高压变形研究刷新了对纳米材料强化中临界晶粒尺寸现象的认识,对地球氧循环过程提出了新的深部造氧理论等。 

上海光源推动我国新材料创制取得多点突破。得益于上海光源原位动态实验能力的不断提升,用户在新材料创制与器件研发取得了一系列突破性研究成果,包括新型光电材料、热电材料、新型电池材料、多铁材料、仿生材料、高分子材料、合金材料等领域,例如在钙钛矿光伏领域阐明铕离子对提升钙钛矿太阳能电池寿命的机理获入选2019年度中国科学十大进展,发现SnQ (Q = Se, S)系列层状材料对称性的提升具有显著的温差发电效率和通电制冷性能,揭示贝壳的软硬复合铰链微观结构可以抑制组织内应力集中的机理,实现无任何电极修饰且室温可运行的全固态锂电池,基于对局复杂外延薄膜的结构研究推动钙钛矿外延薄膜结构的多铁异质结的广泛应用,开展熔盐堆合金制造和服役过程中应力形成机制和腐蚀、氧化机制原位研究等。 

上海光源已成为我国基于结构的创新药研发中不可或缺的关键一环。通过发展快速、智能化的小分子片段筛选技术,支撑用户显著缩短了基于结构的新药研发周期,助力提升我国在全球医药研发领域的竞争力,已支撑4款药物在国内外获批上市。上海光源已为40余家药物研发机构提供技术服务,其中百济神州利用生物大分子晶体学线站开发的抗癌新药“泽布替尼”于2019年11月在美国获批上市,成功改变了中国抗癌药“只进不出”的局面,成为我国首个年销售额超过十亿美元的药物分子,其他成功上市的药物包括PD-1抗体百泽安和华领医药的华堂宁,同时还有多款药物正在进行临床试验。 

上海光源面向产业应用助力解决多个关键技术“卡点”。通过强化“面向经济主战场”的服务能力,促进产学研合作,参与解决行业核心技术难题,推动行业创新和产业能级进阶,例如上海光源突破极紫外光刻胶性能检测关键技术,解决了国内极紫外光刻胶研发过程中的表征难题;通过原位观测,解决核心工艺难题,支持高性能高强碳纤维材料国产化千吨量产,支持攻克车身一体化压铸成型技术,解决高性能高铁接触线连铸工艺;支持开展复兴号材料工艺改良验证;支持化工领军企业创制出2种具有国际分子筛结构代码的新型分子筛。目前上海光源已为100多家企业提供定制化服务,涵盖生物制药、化学化工、新能源、高性能材料等领域,并通过创新合作方式建设石化产业应用专用线站,系统性、持续性解决其产业核心技术问题,提升行业核心竞争力、持续发展和技术创新能力。 

持续开展核心技术攻关,打造自身硬实力 

十五年来,上海光源在线站建设、关键技术研发、方法学研究方面齐头并进,光源性能不断提升,实验方法大幅拓展,实验能力持续增强,跻身于世界一流的第三代同步辐射装置行列。 

如今,上海光源的加速器总体性能处于第三代同步辐射光源的国际先进水平,某些方面独具特色。上海光源的储存环已安装了24台不同类型的插入件,光子能区从红外覆盖到20兆电子伏特的伽马射线波段;建有束流纯化系统和三次超导谐波腔束长拉伸系统,可使储存环工作在20毫安单束团+200毫安束团串共存的填充模式下,从而建立了皮秒级快速X射线成像实验能力;改造成为带有2个超强磁场弯转磁铁单元的储存环磁聚焦结构,新增了储存环硬X射线弯铁光源点和激光电子束伽玛源;双斜角设计使得在两个超长直线节和五个标准直线节共计建成了14条波荡器束线。 

上海光源的光束线站在数量和性能上均处于中能第三代同步辐射装置的前列。目前,已在国际上率先建成一批性能领先的线站,如:同步辐射红外与硬X射线跨能区组合联用的复杂体系动力学研究线站、具有X射线单脉冲成像能力的快速X光成像线站、与同步辐射线站同步运行的低能激光伽马线站、微束白光串行晶体学实验站;建成一批性能指标国际前列的光束线站,如:百微米级聚焦的超硬多功能线站、光子通量密度最高的ppb级探测极限的中能谱学线站、同步辐射软X射线与硬X射线跨能区组合联用的逐层电子结构原位分析的能源材料研究线站、束斑优于30纳米的硬X射线纳米探针线站、亚纳米到微米连续结构研究的时间分辨超小角散射线站、适用于亚微米蛋白晶体分析的膜蛋白晶体学线站。此外,还在国内首次建成一批瞄准特殊应用的具有国际一流水平的光束线站,如:二级生物安全防护的P2生物防护蛋白质晶体学线站、放射性安全防护的稀有元素分析线站、适于大型工程部件原位研究的超硬多功能线站、工业级设备原位研究的时间分辨超小角散射线站。 

上海光源已发展了衍射、谱学、散射、成像等近100种实验方法,配套建设了用户辅助实验室和同步辐射数据中心,形成了系统的同步辐射实验方法体系和用户实验支持能力。 

上海光源的科研人员不断进行关键核心技术攻关。在加速器方面重点发展了光源插入件技术,从真空内波荡器、低温永磁波荡器、多种椭圆极化波荡器、超导和永磁扭摆器等直至低温和高温超导波荡器;自主发展了常温射频和超导高频技术,研发了高性能的S/C/X波段加速结构和偏转结构及微波功率倍增器,研制成功了500兆赫兹新型超导高频腔模组和1500兆赫兹三次谐波超导高频腔模组,还为X射线自由电子激光研发了1.3吉赫兹和3.9吉赫兹超导高频腔模组;研发数字化加速器测控技术、高精度高频低电平控制技术、高性能的逐束团束流诊断技术、脉冲多极铁、定时系统、束流反馈和轨道反馈系统,实现了恒流运行和亚微米束流轨道稳定性。在光束线站方面自主研制了一批具有国际一流水平的核心关键元件及技术设备。X射线光学元件实现重大突破,自主研制成功50纳弧度长程面形仪,自主研制1000毫米大尺寸超高精度X射线反射镜并进入实用阶段,国内联合攻关研制成功具有国际先进水平的高反射率硬X射线椭球聚焦镜;在广泛的光子能区内实现了光束线核心设备—单色器的国产化,形成了覆盖软X射线、硬X射线到超硬X射线的10种类型的高性能单色器系列;自主研制了系列关键设备,如亚微弧度压弯镜、水冷四刀白光狭缝、精密单色光狭缝、白光X射线位置探测器、单色光四象限高精度位置探测器等系列设备。自主设计研制了自旋角分辨光电子能谱仪、软X射线共振非弹性散射光谱仪、软X射线发射谱仪、硬X射线高分辨发射谱仪、纳米角分辨光电子能谱仪、矢量磁场磁二色谱仪、纳米CT成像系统和扫描透射软X射线显微成像系统等多台高端实验装备。 

汇聚科技创新人才,形成科技创新合力 

十五年来,上海光源像一艘“科研航空母舰”,在众多的学科领域中乘风破浪,汇聚了国内外一批各相关专业顶尖学者和优秀团队,他们当中有82位中国科学院和中国工程院院士、超过100位长江学者和国家重点研发计划首席科学家,以及300多位国家杰出青年基金和中国科学院百人计划项目入选者等领衔的青年科学家团队。他们依托上海光源这一创新平台开展前沿科学实验研究,不仅产出了大量科研成果,同时培养了一大批青年科学家,其中一部分已经成长为不同领域的领军人才。 

从建设到开放、从运行到发展,上海光源还为我国同步辐射光源领域培养造就了一批能建设、运行以及开展应用研究的专业型大科学装置人才,他们的身影已出现在国内外许多加速器光源装置上和相关的研究领域里,为科技进步和建设科技强国而努力。 

十五年来,我国同步辐射光源经历了从紧追国际同步辐射光源发展,到跨入国际同步辐射先进行列的转型。上海光源的骨干团队除了上海光源装置建设任务,还负责建成了首台国产质子治疗装置、大连极紫外和上海软X射线自由电子激光装置,并作为主要成员参与上海硬x射线自由电子激光装置建设等等。更将所研发的电子直线加速器、波荡器和扭摆器、定时系统和高频低电平系统等技术和设备输出到了巴西SIRIUS光源、韩国PLS-II光源、加拿大CLS光源、日本SuperKEKB对撞机、合肥HLS-II光源、北京BEPC-II对撞机和CSNS散裂中子源等。通过这些大科学装置的建设和关键技术设备研发,上海光源团队得到全面系统地锻炼,成为了中国加速器光源领域的一支生力军,他们始终践行着以“严谨高效、勇攀高峰的创新精神;实事求是、精益求精的科学精神;团结协作、顽强拼搏的奉献精神”为内核的“上海光源精神”,正瞄准着更高的目标,不断奋进。 

十五年在科技发展的长河中只是短短一瞬,但是我国的同步辐射光源发展和科学应用却发生了历史性巨变,上海光源为能在其中发挥关键推动作用感到光荣。当前我国同步辐射应用需求持续增长,用户群体日益壮大,为新一轮同步辐射装置发展注入了强劲动力。站在发展的新起点上,中国科学院上海高等研究院将围绕国家重大战略需求,进一步强化上海光源大科学设施的科技策源能力,抢占科技制高点;同时,进一步夯实超强X射线辐射物理与技术的创新策源地功能,不断进行原理和技术创新,建设上海新一代同步辐射光源,为实现高水平科技自立自强贡献力量。