同步辐射光与鹦鹉螺：科学的大用与大美

        光是从哪里来的？太阳，万物之灵，以它灿烂的光辉哺育着人类。我们的祖先靠着它的力量生存进化。然而，太阳有些“吝啬”，在同一个时刻，它只给半个地球以光明，另一半地球只能沉浸在黑暗之中。数千年来，我们的祖先只能“日出而起，日落而息”。人造光源出现之后，日夜的界限才开始模糊起来。

        纵观历史，每一种人造光源的产生，都推动了人类文明的巨大进步。从第一只灯泡出现至今只有短短的一百多年，在此期间，人造光源家族已经发展壮大，成员浩浩荡荡：X光的产生，推动了医学诊断的革命，由此产生的胸透X光机、CT等设备，为人类健康做出了不可磨灭的贡献；上个世纪六十年代出现的激光光源，已在精密机械加工、医学治疗、激光制导、激光测距、激光核聚变、激光武器等领域大显神威；而1947年在美国一台同步加速器上发现的同步辐射光，以一系列比其他人造光源更优异的特点，成为生命科学、材料科学、环境科学、信息科学、凝聚态物理、原子分子物理、团簇物理、化学、地质学等科学前沿基础研究，以及微电子、医药、石油、化工、生物工程、医疗诊断、微加工等高技术开发应用的重要平台。美国、日本、英国、法国、德国、意大利、瑞士、加拿大、澳大利亚等工业先进国家都投入巨资，建造同步辐射装置。

        上海光源就是同步辐射光的“制造者”，是我国迄今为止最大的大科学装置，在世界上也名列前茅。它主要由电子直线加速器、增强器、周长达432米的电子储存环以及许多条光束线实验站组成。

        光束线是把同步辐射光从储存环传输到实验站的装置，由一系列光学精密仪器组成，每条光束线长达数十米。上海光源能引出六十多条光束线，沿圆周切线方向顺序排列。这种科学的需求，正与艺术产生了精妙的交融，上海光源主体建筑由此而呈现出美丽的鹦鹉螺型，浑然天成，像一颗宝石镶嵌在东海之滨。

十年立项，十年理想

        如果我们可以乘坐时光机器追溯往昔，可以看到，1993年初春，一份由核物理学家丁大钊、加速器专家方守贤、理论物理学家冼鼎昌三位院士联名书写的报告，送到了中国科学院。这份报告正式建议“在我国建设一台第三代同步辐射光源”。

        在此之后的两年间，中国科学院组织国内外专家，进行了一系列学术研讨及方案论证，对该项目的科学意义、工程技术难点、经费预算进行认真分析、研究。

        1995年2月，半导体物理与表面物理学家谢希德院士、核物理学家杨福家院士等上海市政协委员，在上海市政协八届三次会议上提交了“在上海建造第三代同步辐射光源”的提案。这份提案得到了上海市政协及上海市政府的高度重视。一个月后，经中国科学院常务副院长路甬祥和上海市市长徐匡迪协商，中国科学院和上海市政府决定，共同向国家建议在上海建设第三代同步辐射光源，中文名称为“上海光源”，英文名称为“Shanghai Synchrotron Radiation Facility”，简称为SSRF。自此，性能居世界前列的上海光源，开始筹备。

        1995年12月，来自全国各地的21位高层专家，包括15位中国科学院院士和中国工程院院士，听取了该装置的可行性研究报告，并进行了热烈讨论；1996年9月，国际评议会在上海召开；1997年6月，国家科技领导小组批准了SSRF的预制研究；2000年2月，工程设计人员赴美，委托美国三个著名研究所组织邀请30位国际专家对技术设计进行全面评议；2001年3月，完成了预制研究并进行了鉴定。有41个研制项目达到或优于设计指标，其中有22项设备是国内首次研制的，而有26项设备的技术指标达到同类设备的国际先进水平。鉴定会的专家高度评价了SSRF预制研究所取得的成就，认为我国已经掌握了建造第三代同步辐射光源的关键技术。

        2004年1月，国务院批准通过了上海光源工程项目建议书。同年11月15日，国家发改委批复了上海光源项目可行性研究报告，并于12月批复了上海光源项目初步设计。2004年12月25日，上海光源工程开工典礼在上海浦东张江高科技园区隆重举行。

        1993–2004，这十年的立项之路，凝聚着几代科学家的梦想，和上千名科技人员的心血。

一座小楼，一段艰辛

        十年的立项之旅，走得并不轻松。

        1999年1月的一天，一辆普通的汽车开进了上海嘉定城郊的一座老式楼房院内。从车上相继走下二十多位来自北京、合肥的科技人员，他们都是来自中科院高能物理所和中国科技大学的科技骨干，根据中国科学院的决定，来到上海，参加上海光源工程建设。这支队伍的成员，大多数已年过半百，最年长者已逾七十。这样一群本已到了安居高位甚至含饴弄孙的年纪的人，就住在院内一座被称为2号楼的筒子楼里。

        这座2号楼，是中科院上海应用物理所（原中科院上海原子核所）在上个世纪五十年代盖起的一座集体宿舍楼。到了九十年代，成为单身职工的宿舍楼，不复往日的热闹。院内杂草丛生，楼旁小河黑乎乎的水面上，漂着各种垃圾。科技骨干们就在这样的环境中安顿下来，开始了科研生活，一住，就是三年。

        每天早晨，他们从2号楼出发，步行穿过一个村庄，沿着一条高低不平的乡村小路走到研究所办公楼，带领研究所的一大批年轻的科技人员，精心设计、认真实验。晚上，再从研究室出发，沿着乡间昏暗的小道返回2号楼，不时传来的声声犬吠，就是这段路途的背景音乐。回到2号楼的宿舍，奇大的黑蚊在墙壁上摆开阵势“欢迎”科技骨干们的归来，“五个蚊子一盘菜”，正是当时情景的真实写照。因下水道年久失修，每逢雨季，底楼各房间都必定“水漫金山”，不得不搬来抽水泵，把房间的水一点点抽去。

        在这样的环境中，这支骨干队伍，与研究所参加上海光源工程的全体人员一起，艰苦创业，一遍一遍地修改设计，一次一次地进行实验，圆满完成了41个项目的预制研究，掌握了建造第三代同步辐射光源的关键技术，并培养了一支年轻的科技队伍。在后来的工程建造中，成长起来的青年科研人员发挥了主力军作用，这与2号楼里的骨干们的艰苦努力是分不开的。

十万英镑，无限奋进

        艰苦，不仅仅来自生活环境，同样来自工作中的重重挑战。

        对大多数人来说，“弧矢聚焦压弯机构”是一个陌生而拗口的词组；对于许多科技人员来说，这也是一个专业性很强的名称。在上海光源预制研究41个项目中，有一台“弧矢聚焦晶体单色器”，被称作同步辐射光束线的“心脏”。该设备中需要一个关键部件“弧矢聚焦压弯机构”，国内从未研制过，国外报道的相关资料也很少。

        起初，上海光源的科技人员把希望寄托在与国外公司的合作研制上。1999年秋天，三个英国人来到嘉定园区研究所办公楼，讨论该机构与另一装置“水冷活动挡光器”的合作研制。这三位英国著名厂商OXFORD的年青人，摆出一副趾高气扬的架势，声称这两项技术是他们公司和欧洲ESRF、美国APS的专利，上海光源如需加工，每一项付十万英镑，概不还价。

        十万英镑！即使在今天，这也是个不小的数字，对于当时的项目组来说，这简直是漫天要价。要知道，整台单色器的研制经费，还不够买一个部件。怎么办？“从来就没有什么救世主，也不靠神仙皇帝”，要创造科学的奇迹，还是得靠我们自己。

        项目组与中科院西安光学与精密机械研究所展开了紧密的合作：从理论分析入手，计算部件的受力与变形；进行材料测试，摸索某种特殊合金的加工性能；反复进行实验，找出合适的材料热处理工艺路线。经过了二十多次失败的洗礼，项目组不断总结经验，终于研制出了性能指标符合设计要求的“弧矢聚焦压弯机构”，所用经费仅仅达到进口产品价格的六分之一。

        评审专家这样写道：“上海光源继欧洲ESRF后研制成功的该机构，其性能达到世界先进水平，解决了工程的急需。”现在，这种机构已成功应用在上海光源新建光束线中。类似这样的研制项目，在上海光源有20余个。用科技人员一句自豪的话语说：“十万英镑的天价，激起了我们的奋进！”

逼上梁山，集思广益

        其实，这样的困难，不仅仅能激起我国科技工作者的奋进，还推动了我国一些高科技含量的工业技术的发展。真空波荡器的故事，就是绝好的证明。

        在上海光源工程竣工日期倒计时牌上写着395天的时候，一个重大问题出现了：向美国公司订购的两台真空波荡器严重拖期，要到工程计划竣工日的半年以后才可能交货！

        真空波荡器是上海光源工程中的重大关键设备，简单地说，上海光源投入使用后，需要产生能够与高能光源(日本SPring-8、美国APS、欧洲ESRF)相比的硬X射线，这硬X射线能否成功产生，就看真空波荡器的了。然而，国内当时尚无该设备的研制经验，国外也只有少数几家公司能够生产。通过国际招标，上海光源首批光束线站使用的两台真空波荡器，确定整机从美国进口。尽管科技人员一直在跟踪联系，该公司却以加工任务重为理由，工期一拖再拖。

        为了确保工程进度，经过认真分析、讨论甚至争论，2008年3月21日，经理办公会作出了重大决策：“紧急启动自主研制，力争年底完成。”

        真空波荡器结构复杂、工艺难度高，是集高精度磁铁技术、超高真空技术、精密机械传动与控制技术等多项高技术于一体的大型设备。工程经理部从各部门抽调技术骨干组成了攻关项目组，集中力量研制。被“逼上梁山”的全体成员，夜以继日，争分夺秒，认真调研国外相关设备使用情况，进行方案设计、工程设计，邀请国内外专家评审，与国内加工过类似零器件的工厂联手加工制造、总装、联调。终于，2009年2月4日，安装在上海光源储存环上的国内首台真空波荡器，调试出光，达到预期目标。

        项目组的一位成员感慨地说：“过去在国外看到人家的真空波荡器，这样一个庞然大物，我们什么时候能制造？今天，就在我们手中实现了。”

        想必读者们听到这样的消息，会感到更加自豪：这种曾让我们苦苦等待的高科技设备，我们正在为国外光源加工两台。从计划进口而未能实现，被逼着自主研制，成功使用，到今天能为外国加工，由此可见，通过改革开放，我国的精密加工设备及加工技术真的得到了突飞猛进的提高。

        上海光源的科技人员，永远不会忘记与他们并肩战斗的工厂工人师傅、国内同行和国外朋友的无私帮助。上百个单位，包括研究所、大学、工厂、公司参加了上海光源工程的建设。上海光源工程是集体力量的结晶、社会大协作的成果。

精心施工，构筑基石

        每一项大工程的建设，都需要综合考虑很多因素，这里面科技工作者的脑力劳动固然非常重要，而将图纸变为现实，自然要靠挥汗如雨的工人师傅们，以及社会各界的无私帮助。

        在这样的齐心协力之下，在上海光源这个大科学装置的建造过程中，建筑上的奇迹也一个又一个地出现了。篇幅所限，下面就谈谈最“基本”的奇迹——微米量级地基振动的实现。

        “地基振动”，很好理解。在日常生活中，地表和地下都会有一些振动源，振动源发出的振动波，会引起建筑地基的振动。这种振动人们一般感觉不到，但是会严重“骚扰”到建筑内的精密仪器的工作。如果地基不够稳固，振动幅度就会比较大，重大的科技工作就无法开展。作为第三代同步辐射装置，上海光源需要极其稳固的地基。通俗地说，在一块直径超过200米的圆形地基上安装加速器和光束线实验站，要求地基的最大振动幅度不超过1微米，否则，光源就会不稳定。这样高的要求，活生生地将世界上几个类似的装置“逼”上了山：不少国家都将同步辐射光源建造在山石基础上，最有代表性的莫过于日本的SPring-8同步辐射光源，干脆将大阪府兵库县的一座山拦腰炸出一个宽阔的环道，把加速器和实验装置放在这个环道的基岩上。

        上海浦东地区可不是这样的山体，跟山石基础比起来，上海光源所在地的地质就像是果冻，百米开外一辆集装箱卡车隆隆开过，这边的地面就会“忽忽悠悠地颤动”约9微米。如何保证这上万平方米底板上振幅1微米的要求？这可是上海建筑史上第一次遇到的难题！

        上海光源与上海建筑业的科技人员，查阅了所有能找到的相关地质资料、潮汐起落气象资料以及当地交通运输资料，不分白天黑夜，24小时监测地基振动情况，取得了一系列地基振动的真实数据；根据数据，进行复杂的模拟计算，最后才提出周密的设计方案。为了保证方案效果万无一失，上海市政府有关部门也进行了大力支持——根据浦东地区载重汽车的流量，对光源周边的道路设置进行了调整，明令禁止2.5吨以上车辆通行。

        接下来，就是紧张的奋战。经过精心施工，一道道工序严格把关、严格监测，一座稳如泰山的地基，终于从图纸上脱胎而出，圆满地将科技工作者的想法变成了现实。经过精密仪器的反复测试，上海光源底板的最大振动量(均方根值)仅有0.25微米左右。在这块稳如磐石的地基上，一台现代化的加速器稳定运行，达到设计指标；对光束稳定性要求极高的X射线微聚焦光束线站，已成功获得首批科学实验结果。

院市携手，并进双赢

        熟悉加速器界的读者可能知道：中国的第一代同步辐射光源位于北京的高能物理研究所，第二代光源地处合肥的中国科学技术大学校园内，那么，第三代同步辐射光源为何会花落上海？这要从中国科学院和上海市的情况说起。

        上海市是我国最重要的经济、金融及贸易中心，一直以建设现代化的国际大都市作为城市发展定位。过去的十几年内，上海在发展上取得了巨大的成就，但是，如果要继续追求超常规、跨越式发展，就必须坚定不移地推进“科教兴市”主战略，在高端技术领域依托科技的进步和创新来参与全球竞争。中国科学院是国家科学技术领域和全国自然科学与高新技术综合研究发展的中心，全院具有近百个研究院所和技术支撑机构，科研基础雄厚，人才优势显著，是上海实施“科教兴市”战略的重要依靠力量。

        不难看出，上海光源作为中科院在重大科学研究装置工程方面最大的投资项目之一，选择建在上海，是中科院参与地方的建设和发展的一个重大举措，也是上海市坚持“科教兴市”主战略的重要体现。上海光源必将成为上海市乃至全国不可替代的研发平台，成为上海市汇集和凝聚人才、知识和资本的一个舞台。

        有句话说得非常好：大科学工程很难在短期内为地方带来直接经济效益，但可以为人才交流和集聚提供平台，能够对提高区域创新能力和科技与经济可持续发展产生深远的影响。紧密结合地方发展战略，集中双方的优势资源，共建大科学工程，既是促进科教兴市中长期发展的战略手段，又是中科院提高创新能力、推动科技体制改革的良好举措。

        由此可见，中国科学院与上海市政府的科技合作，是历史的必然；上海光源工程则成为院市合作的典范。

        在争取项目的过程中，上海市政府扮演了重要角色。早在1995年初，上海市就把在上海建设同步辐射光源的提案列为市政协重点提案，市政府也表示了支持，包括给予三分之一的经费。1998年，国家计委批准了上海光源工程的预制研究，上海市人民政府负担了总经费8000万中的6000万；2004年，上海光源工程项目建议书正式批准通过后，约12亿元人民币的总投资，上海市政府承担了约4亿元，并无偿提供300亩上海光源工程建设用地。上海市政府对项目强有力的支持，使得上海光源项目从提议到立项的每一步都走得坚实有力。

        在上海光源项目的推进中，中国科学院也一直同上海市政府保持着良好的沟通合作关系，不仅在项目的决策过程中充分尊重上海市政府的意见，还将上海光源的建设积极地融入了上海市“科教兴市”的发展战略。上海光源各光束线需要有各自不同的科学目标，在确立这些目标的过程中，中科院从上海光源用户第一的宗旨出发，充分结合了我国重要科学任务的需求，同时也将上海及周边地区各类产业的发展需求作为上海光源首批光束线站科学目标选定的重要参考依据，比如针对上海医药产业的发展和上海市建成亚洲医学中心的奋斗目标来设计和建设相应的同步辐射光束线站。

        上海光源工程领导小组、指挥部都由中科院和上海市领导挂帅，负责解决、协调和决策工程设计和建造中的重大问题。上海光源工程经理部由院市双方人员组成，负责工程建设的具体工作。中科院与上海市的合作关系不仅体现在组织架构上，更体现在工作机制上。中科院和上海市就上海光源工程的建设一直保持着紧密的联系和沟通，双方的主要领导多次就工程建设作出重要指示。中科院和上海市的有关部门以及作为工程项目法人的上海应用物理研究所多次就工程的设计方案、工艺、建安和投资等，各项内容共同研究讨论磋商，形成统一意见，合力推进工程的实施。

        于是，我们看到：来自中国科学院的高科技人才，带着他们的科技才干、丰富的实践经验到上海安家落户，而上海市政府引进人才的优惠政策，热烈地欢迎他们的到来；针对光源的选址，上海市政府拿出了最好的地块与大量的建设经费；为了上海光源这一高难度大科学工程的顺利实施，上海市将它纳入“重大工程”予以保障；上海光源运行时需要减少振动，上海市有关部门就调整了周边道路的设置，规定了经行车辆的载重上限……凡此种种，不胜枚举。一句话，通过上海光源的建设，中科院和上海市政府的双手紧紧地握在了一起。

        正是这种大力协同、紧密合作，促使了上海光源工程如期、保质、不超预算建成，为院市其他合作项目提供了宝贵的经验，更为“科教兴市”、“科教兴国”战略的实施提供了绝佳的范本。

        读者们不妨留心身边的科技新闻，也许某个高科技的项目就在你每天生活的地方表面上悄无声息实际上热火朝天地进行着，为美好的生活添砖加瓦。

        （本章节部分资料和文字来源于中国科学院院地合作局网站，特此致谢。）

英雄无悔，追思无限

        2009年2月17日，笔者正在北京开会，突然接到来自上海光源的电话，告知汤杰同志于16日晚因高血压病突发脑出血，不幸逝世。这个噩耗令人一时语塞，简直不敢相信这是事实。这位年仅43岁的研究员、工程总经理助理、十几年的工程办公室主任，一周前还在上海光源与笔者畅谈二期工程管理的设想。

        从北京回到上海, 2月16日送汤杰回嘉定的司机凌师傅告诉我,那天下午下班后,汤杰按日常习惯到实验大厅检查一遍后，提着书包坐车从张江回嘉定。一上车，他说有些冷，司机把空调打开。送汤杰到家后，司机回家吃饭，刚进房间电话铃响了，告知汤杰在家晕倒。急送医院，抢救无效。

        汤杰就是这样，他把上海光源建设当做自己挚爱的事业执著地投入其中，倾注了全部心血与智慧，为建设上海光源默默奉献了十几年，无怨无悔。特别是2004年年底工程开工后，身负工程总调度重担的汤杰，几乎365天风雨无阻地奋战在工程建设工地上，无论是工作日还是节假日，总能在工地里看见他的身影，上海光源的各个角落都留下了他的脚印。上海光源工程遇到技术论证、立项、开工、安装、调试等重大节点时，都是汤杰最投入、最忙碌的时候。“工程办就是为工程经理、为总师、为科技人员服务的。”这是他一直挂在嘴边的，他也以实际行动向人们诠释并证明了这句话。

        表面看起来，汤杰是个大大咧咧的人；与他接触时间长了，才知道他做事细致入微、事事件件记得清清楚楚。在徐洪杰总经理主持的光束线站总体组会上，遇到一些日期、数字之类的问题，总经理经常说：“把汤杰叫来。”他一到会，如数家珍，对答如流，问题解决。社会上不少人佩服他的灵活头脑和管理才能，三番五次登门拜访，开出优厚的条件请他“下海”。然而，汤杰没有为物质收入而离开上海光源，放弃他所热爱的科技工作。他就这样甘于寂寞，远离辉煌，一干就是十几年。

        有一次与汤杰聊天，他对我说：“夏老师，您年岁大了，又有高血压，要注意身体。经常去医院检查，按时吃药。工程的事我们年轻人多干点。”后来得知，他患高血压已几年，整天忙于工程，很少去医院检查，吃药也不能坚持；加之长时间超负荷工作，积劳成疾，导致突发脑出血，最终，离上海光源竣工仅有两个月的时候，放下他挚爱终生的事业，过早地离开了与他一起为上海光源奋斗不止的人们。这位被称为上海光源工程的“大管家”，竟然没能等到亲眼看见自己为之奋斗的工程最后竣工，想来着实令人扼腕。

        汤杰用他短暂的一生诠释了“上海光源精神”，那就是：“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。”中共科学院上海分院党组做出了《追认汤杰同志为优秀共产党员的决定》，上海光源也开展了向汤杰同志学习的活动。汤杰若天上有知，当可含笑了。

        大家把汤杰比做上海光源射出的一束光，一束平凡的光，未必很强很亮很耀眼；但我们相信，当一束束平凡的光聚焦在一起时，那将是耀眼的万丈光芒，将照亮祖国整个科技星空。

先进水平，立林世界

        英国《自然》杂志(Nature)在2009年5月的一篇通讯中称，上海光源的竣工标志着中国加入了世界级(World-Class)的同步辐射俱乐部。这是对上海光源水平的最好评价。

        在此之前的2009年4月，来自美国、英国、德国、日本、瑞士、加拿大、澳大利亚、西班牙、法国的知名同步辐射专家齐聚上海，对上海光源工程的质量和水平进行国际评审。专家组长、美国斯坦福大学的Winick教授认为，上海光源自破土动工到出光仅用三年是十分了不起的，这无疑是世界上最快的建设速度。

        这批世界级的专家中，有不少人来自上海光源的“竞争”对手，他们参观上海光源时的心情自然可想而知。而且，很多外国专家在亲眼看到上海光源里的一系列高精尖技术设备时，第一反应都不敢相信这样的设备会出自中国人的手笔，可以说，上海光源也给这些对中国科技工作者不够了解的外国专家上了一课又一课，对中国科技水平在国际上的声誉提升作出了很大的贡献。笔者曾陪同英国Diamond光源的主任和日本KEK-PF的安藤正海教授参观光束线和实验站，大家走到X射线高分辨率衍射光束线时，看见了一台弧矢聚焦晶体单色器。读者想必还记得，上期文章中提到的“弧矢聚焦压弯机构”，就是这台单色器里的关键部件。这种设备的技术以前一直被外国垄断，连报道都很少见，国内也没有研制经验。因而，不难理解英国主任为何会指着这台单色器脱口而出：“Made in Japan. (日本制造。)”一旁的安藤正海教授立刻纠正：“No, Made in China. (不，是中国制造的。)”并用手指向该设备的研制单位标牌——安藤正海教授十几次访问中国，学习了一些汉字，能看懂标牌上的中文——大吃一惊的英国主任急忙接着说：“Very good! (很好！)”

        从上海光源竣工起至今，来参观、评审的国际专家一致对我国的加速器技术和光束线技术的飞速发展给予了充分的肯定和赞扬，还用相机把我国自主研制的许多设备永恒定格，让这份中国的骄傲永远镌刻在历史的长河之中。

        * 原文连载于《上海社区报》，编辑：罗晨曦