对活细胞进行纳米尺度高分辨成像，探究细胞功能的动态机制，掌握细胞应对病毒侵染的免疫反应，服务人民生命健康；

支撑以光刻为代表的国家重大需求，解决下一代光刻技术中，光源、光学系统和光刻胶中的关键技术问题；揭示量子材料中新奇现象的形成机理，服务国家重大科技战略……

上海软X射线自由电子激光（以下简称上海软线）是我国首台X射线波段的自由电子激光装置，也是国际上最先进的光子大科学设施之一。它的建成出光，极大地提升了我国科学家探索微观世界超快过程的能力，很多以前看不见的现象、做不了的实验现在可以开展研究了。

“30年筚路蓝缕、接力奋斗，我们已经从‘跟跑’‘并跑’开始向‘领跑’冲刺。”中国科学院上海高等研究院（以下简称上海高研院）研究员、上海光源科学中心副主任、上海软X射线自由电子激光装置运行总负责人冯超告诉《中国科学报》。

在此过程中，上海高研院软线团队以敢啃硬骨头的勇气，追求极致的精神和凝心聚力的胸怀，诠释了“上海光源精神”的新时代内涵。该团队“十年破壁”，在飞秒时间、纳米空间尺度打造敏锐的“科学之眼”，在冲击光源装置“制高点”的同时，也为依托光源进行前沿研究，为抢占科技制高点的科学家提供了“利器”。

冯超（前排右三）和上海软线运行团队部分人员合影

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位于上海光源北侧的上海软线装置

勇蹚新路啃下硬骨头

大科学装置建设具有工程和科研的双重属性，由于投资体量巨大，我国以往大科学装置采用跟随国际主流方案的策略，在这种情况下，很多从“0”到“1”的成果会被国外率先取得。

“光源大科学装置像一台‘超级显微镜’，能让微观世界‘纤毫毕现’。”冯超说，“如果把同步辐射光源看作‘分子相机’，自由电子激光（可据光谱覆盖范围分为软X射线自由电子激光和硬X射线自由电子激光）就像高速摄像机，能拍摄‘分子电影’”。

作为新一代光源，自由电子激光的脉冲长度极短，能捕捉飞秒甚至亚飞秒量级（1秒＝10¹⁵飞秒）的分子动态变化。借助它，人类有望看到化学键断裂、观察病毒侵染活细胞的过程或进行微观物质结构动态变化过程的分析。因此，要支撑我国科学家取得突破性、原创性成果，引领新一代光源的建设和发展十分重要。

20世纪80年代，我国开始建设大型加速器装置，从北京正负电子对撞机（BEPC）、合肥同步辐射装置（HLS），到上海光源（SSRF），中国大科学装置建设之路走得艰辛而笃定。

“现在，我们已经到了开始冲击‘领跑’阶段。”谈及光源建设，冯超语气自豪，“冲击‘领跑’必须自主创新，必须啃‘硬骨头’。”

2014年，上海软X射线自由电子激光启动建设，在中国工程院院士赵振堂的领导下，团队决定探索新机制，用全新技术路径做全相干光源。

“那绝对是块‘硬骨头’。”冯超说，“当时国际主流方案是自放大自发辐射型自由电子激光，它的相干性（单色性）不理想，我们的目标是产生X射线波段的‘激光’，因而采用自主提出的EEHG-HGHG（回声高次谐波放大和高增益高次谐波放大）混合级联机制，它比传统方案复杂得多，技术挑战也大很多，且国际上没有成熟案例可参考，我们必须‘蹚’出条新路，找到自己的技术路径。”

2018年，在理论推演可行后，团队开始在实验上探索这一新技术路径。和主流方案相比，新方案有望实现真正意义上的“X射线激光”，从而看清原来看不到、看不清的物理化学现象，做原来做不了的前沿科学实验，但建设、维护和运行难度也随之增加。

“如果采用传统方案，差不多两个月就能实现饱和出光。但我们要‘蹚’新路，这条新路是否行得通行我们心里没底。”冯超说。

在此后1年多的实验中，团队看不到一丝希望。最艰难的时候，团队成员一度产生过放弃的念头。

这时，赵振堂不断给团队“打气儿”，鼓励大家坚持下去，让大家相信“这个‘东西’一旦做出来，就是独一无二、世界一流的成果”。

使命感和对自己所做工作的期待让团队在“备受煎熬”中坚持了下来，经过反复尝试、不断改进。2020年，团队终于实现了国际上首个EEHG-HGHG混合级联型自由电子激光出光放大，并通过国家验收。

团队自主研发的波荡器（自由电子激光放大器）波荡器线之一

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团队自主研发的波荡器（自由电子激光放大器）波荡器线之二

追求极致成就“大而精”

“上海软线的特点是‘大而精’。”上海高研院研究员、加速器物理与激光技术部直线加速器物理组组长谷端解释说，“上海软线由上千台套设备、数以万计的零部件组成，尽管它是个‘大家伙’，却极其精密，任何一处细小差错，都可能导致状态不稳，甚至拖累光源装置‘宕机’”。

调试开始时，研究人员发现一个规律：每天早上5点，当上海市从沉睡中醒来时，上海软线监测系统的屏幕上，参数曲线的抖动明显加剧，直到23点后曲线才趋向平稳。

很快，团队意识到这是人类活动对仪器的影响。对这样精密的科学设施来说，数公里外汽车、地铁、电网等各种人类活动都会影响系统参数。因此，参数优化阶段，研究人员会选择深夜至凌晨的“黄金时段”工作。

2020年12月，直线加速器部分的主要工作完成，团队似乎“看到了一线曙光”，准备邀请专家到现场进行测试和指导。

测试前一天深夜，上海高研院研究员、加速器物理与激光技术部直线加速器物理组副组长王震正在优化参数，忽然看到反馈系统提示：冷却系统异常。

“那是光源装置的温控设备，上面有一处轻微的水管滴漏。”王震说，“尽管只是很小的问题，但光源是个整体，不允许出现任何差错。”

王震当即拨通温控设备负责人的电话，要求迅速处理问题。滴漏解决后，研究人员重启装置，又经过30多小时连续奋战，终于将加速器恢复到最佳状态。

“上海软线有上千台套设备，数万个零部件，涉及几千种参数。”王震说，“通常一台机器的可靠性达99%就很好了，对光源这样复杂的装置来说，每个部分99%的可靠性，上千套设备、数万个部件组合起来就一定会出问题。因此我们要求各种设备、部件的可靠性达到99.99％。”

“‘大而精’要求我们要紧密协作、集智攻坚、把所有环节都做到极致。”谷端补充说：“首先是硬件团队把所有硬件做到最好，然后所有系统紧密配合，再逐步进行优化。也就是说，各环节做到极致，才能支撑整体的最佳状态。”

上海软线装置分加速器、自由电子激光放大器、实验线站等部分。加速器产生的高能电子束，要精确控制其在波荡器系统中的轨道和聚焦，才能产生X射线自由电子激光。在50米长的磁场中，要保持磁铁的磁中心、电子束中心和辐射光中心在微米尺度精确重合并保持稳定。如果将比例放大到子弹大小，其难度堪比在数万米外，三把手枪同时射出子弹并相互命中。

为保持系统稳定，团队多专业组携手开发出一套基于束流的反馈系统，它能监测并调控多种参数，一旦外界干扰，系统会自动调整，保持关键参数稳定。反馈系统投入使用后，装置稳定性明显提升。

冯超（右一）带领研究生开组会（本组图片由受访团队提供）

多走一步聚力克难关

上海软线的稳定运行涉及变量极多，要在浩瀚的数据中找出最好状态，难度可想而知。为保证调参进度，团队采取逐节优化策略，从加速器结构设计、到线圈补偿优化，每一环节都仔细打磨、反复调试。

“在此基础上，我们才开始继续向后优化，一步步将直线加速器、光路、传输，测量、诊断等方面的稳定性、可靠性提升至最优状态。”冯超说。

2022年3月，上海软线用户装置调试进入关键期，为抢抓进度，团队成员长时间坚守岗位。恰在此时，上海市突发新冠疫情，多数成员被“封”在工作现场。

“疫情让城市突然‘静下来’，外界对设备参数的干扰也随之减小，这反而成了一个难得的‘窗口期’。”上海高等研究院副研究员刘涛回忆道，“大家集中在一起，正好全力攻关。”经过70多天的实验室奋战，上海软线团队终于攻克了数项重要技术指标。“我们相信，每个环节比别人多走一步，才能完成看似不可能的任务。”刘涛说。

这种“多走一步”的精神，成为团队协作的核心动力。30多个专业组在攻坚过程中实现了无缝衔接。冯超表示，“正是每个人主动向前、彼此支撑，才形成了我们强大的凝聚力和驱动力。”

他举了一个例子：因为需要不断自主探索路径，团队成员常常提出一些看似“奇葩”的需求。然而，负责基础硬件设计的工程师俞成却从未拒绝过这些要求。冯超感慨道：“我们那些奇怪的想法，如果找外部供应商加工，肯定会遭到拒绝。但俞老师从来不会说‘不’，他总会再向前多走一步。”

正是凭借这股“不懂拒绝”的劲头，团队成功研制出多项特殊设备，其中包括世界第一台种子型自由电子激光“诊断波荡器”和目前国内最长的太赫兹电磁扭摆器，它们也成功应用在了大科学装置的建设、调试和运行中。

2021年，上海高研院工程师张展飞加入软线团队，负责设备运维和升级。其间，一台日产压弯件出现故障，日方技术人员耗时两个多月仍未能解决。团队深刻意识到，必须实现核心零部件的自主可控。

在冯超的支持下，张展飞开始寻找解决方案。该部件需在超高真空环境中运行，精度要求极高，但因难度大、用户少，多家厂商均不愿承接。国内类似产品多采用普通树脂或橡胶材质，存在释气、老化等问题，无法满足超高真空环境要求。经多个专业组深入讨论，团队最终决定采用特殊金属材料进行加工。张展飞经过一个多月与厂家的反复沟通与工艺磨合，终于完成了满足所有精度要求的部件加工。

工程师孙丽萍在首次参加团队例会时，就被冯超和王震的专业能力深深震撼。“三个小时的高质量输出，对几十个系统的问题对答如流，还能迅速切中要害。”她表示，时间久了才明白，这种博学背后是持续学习、自我更新的能力。

“虽然任务重、困难多，但我从没怕过。”孙丽萍说，“我们团队敢打敢拼，拥有持续的学习力、超强行动力和持久战斗力。”

对此，负责控制系统的工程师赵欢深有同感。自2010年进入项目组，她感觉仿佛进入了一个“全新的学习进程”。“控制系统需与20多个专业组紧密对接，为调束人员与设备间建立可靠的信息通道。各专业领域关注点不同，唯有互相学习、打破界限，一起面对问题，共同解决。”

“这是一个朝气蓬勃，凝聚力、战斗力超强的团队。”上海高研院党委副书记、纪委书记唐铮说，他们以家国为底色、以创新为灵魂、以协作为纽带建大科学装置，这种眼光和胸怀一定会迎来“高光时刻”。