当人类凝视宇宙的深邃，总渴望借助一束光穿透未知。大科学装置正是这样一束光——它照亮微观粒子的精妙舞蹈，解码生命起源的原始密码，甚至让转瞬即逝的量子跃迁凝固成可供研究的“标本”。 此次，我们重磅推出《大国之“光”——中国大科学装置巡礼系列报道》，以“光”为线索，走进这些中国大科学装置的殿堂，聚焦激光与光源领域的核心设施，开启一场跨越时空的“追光之旅”—— 从每秒振荡万亿次的飞秒激光，到能穿透物质骨骼的同步辐射光源，从捕捉“幽灵粒子”的地下迷宫，到再现太阳核心能量的超强激光装置…… 在这里，我们将以全景视角展现这些科学利器的非凡魅力，揭秘这些“超级工具”如何解码微观世界、探索宇宙奥秘、赋能人类生活。 从南海之滨到燕山脚下，从地下实验室到深空观测站，中国大科学装置集群正编织着一张立体的创新网络。 这些被称为“国之重器”的超级工具，不仅是衡量国家科技实力的标尺，更是人类探索自然奥秘的阶梯。 当我们凝视这些照亮未知领域的“中国之光”，看到的不仅是科技实力的具象刻度，更是一个文明古国在创新长跑中重新定义领跑姿态的“精神光谱”。今日推出《大国之“光”——中国大科学装置巡礼系列报道》之七上海硬X射线自由电子激光装置： 原子世界的“超级显微镜”
在上海张江科学城地下30米深处，一条长达3.11公里的“地下巨龙”正悄然觉醒。这就是我国唯一、全球唯二的高重频硬X射线自由电子激光装置——上海硬X射线自由电子激光装置（SHINE）。
这座总投资100亿的国家重大科技基础设施——从2018年开工到2024年隧道全线贯通，再到2025年即将实现首次出光，即将点亮人类观测微观世界的全新“灯塔”。
作为全球仅有的两台基于连续波超导加速技术的高重频X射线激光装置之一，SHINE的X射线峰值亮度将达到第三代同步辐射光源的十亿倍，脉冲短至飞秒级（1秒的一千万亿分之一），使科学家得以拍摄原子运动的“分子电影”。
1 地下“巨龙”
上海硬X射线自由电子激光装置是“十三五”国家重大科技基础设施优先启动项目，由上海科技大学牵头，联合中科院上海高等研究院、上海光学精密机械研究所共建，总投资约100亿元，于2018年4月正式开工。
这座深埋地下29米的“地下科学城”，由直线加速器隧道、波荡器隧道、光束线隧道构成，总长3110米，相当于34个标准足球场首尾相连。这个装置的核心建设内容包括8GeV兆赫兹级高重频超导直线加速器、3条覆盖0.4-25千电子伏特光子能量的波荡器线、3条光学束线及首批10个实验站，可实现从单分子成像到极端光物理研究的全场景覆盖。
2018年4月开工以来，建设团队首先要攻克的是“地下迷宫”的施工难题：5个工作井需贯穿运营中的上海地铁13号线，最近距离仅1.8米，垂直净距3.6米——这是上海首次“三穿三”轨道穿越施工。为避免地铁沉降，施工团队采用“克泥效压注”“环箍注浆”等技术，将13号线沉降控制在3毫米内，堪称“毫米级”的地下平衡术。
2022年12月，随着1至5号工作井隧道全线贯通，SHINE的“骨架”初现；2024年，注入器甚高频电子枪完成集成并顺利出束，标志着电子束源头被打通；同年，3套2K低温工厂成功降温至-271.15℃（接近绝对零度），为超导加速模组提供“极寒动力”。
如今，隧道内设备安装已进入尾声，5个工作井中，1至4号井及基地全面进入工艺设备安装阶段，5号井正进行公用设施收尾——这座“地下巨龙”正以肉眼可见的速度“苏醒”。
2 “光剑出鞘”
2025年，SHINE将迎来激动人心的“出光”时刻——计划年内实现超导直线加速器调试与首次自由电子激光放大“出光”。
届时，当8GeV高能电子束在超导加速器中被加速至接近光速，进入波荡器后在周期性磁场中“舞动”，产生波长短至0.05纳米的硬X射线激光脉冲，其峰值亮度预计达10^17光子/秒/平方毫米，比第三代同步辐射光源高10亿倍，脉冲宽度压缩至飞秒级（1秒的千万亿分之一）。
这束光不仅将验证装置设计的科学性，更将为后续实验站提供“分子电影”级的观测能力——从捕捉电池材料中的锂离子迁移，到解析蛋白质动态构象，一切超快过程都将无所遁形。
这一过程被科学家比喻为“用激光笔照亮原子世界”，标志着我国正式迈入“硬X射线自由电子激光俱乐部”。
3 极致之光
据介绍，SHINE的独特性在于“双会聚”能力——既是国际最高重频的硬X射线自由电子激光，又能与超强超短激光深度耦合。这一设计使其成为全球唯一能同时输出硬X射线与极端光场的平台，为研究物质在极端条件下的行为提供“双视角”。
值得一提的是，这个装置的性能参数堪称硬核：光子能量覆盖0.4-25keV，可探测接近原子尺度的结构；单脉冲能量达毫焦耳级，足以激发材料中的非线性效应；高相干性则确保衍射图案的精度达到埃级（10^-10米）。
更关键的是，SHINE采用模块化设计，3条波荡器线与10个实验站可灵活切换，满足从单分子成像到极端光物理的多元需求。正如该项目团队成员所言：“这不是一台装置，而是一个跨学科的科研生态系统。”
4 科学革命
事实上，SHINE的意义远超一台科研工具——SHINE的硬X射线如同打开微观宇宙的钥匙，将催生多学科颠覆性突破。
在科学研究层面，它将为材料科学提供“原子级显微镜”，揭示高温超导体的量子纠缠机制；在生命科学中，可动态追踪蛋白质折叠过程，加速靶向药物研发；在能源领域，更能解析光催化反应中的电荷转移路径，推动清洁能源技术突破。
从技术层面来看，SHINE带动了超导技术、精密加工、低温工程等领域的自主创新。例如，我国成为第二个掌握常温射频连续波电子枪技术的国家，相关技术已应用于半导体设备国产化。
更深远的影响在于，SHINE与上海光源、软X射线装置等组成世界级光子科学集群，使中国与美欧形成三足鼎立格局。
未来，当全球顶尖的科学家汇聚上海张江，这里不仅将成为“光子科学的麦加”，更将重塑中国在国际科研规则制定中的话语权。
