逐光而行：建设世界领先的同步辐射光源

同学们，你们好！你们知道吗，人类生存和发展其实一直都在与各种病毒博弈。近几十年，在征服SARS、埃博拉、禽流感等病毒的过程中，有一个重要的武器一直发挥着关键的作用，那就是同步辐射光源。

同步辐射光源是一种大科学装置，主要是依托大型加速器产生的X射线开展各种测试和研究，可以在分子、原子、电子等微观层面上帮助我们了解物质的微观结构及其性能和功能作用机理。比如一种新的病毒出现后，科学家可以迅速利用同步辐射光源对病毒结构进行解析，了解其作用机理，揭示其致病的秘密，以此为基础，进行疫苗和药物研发。

同步辐射光源产生的X射线性能非常优异，亮度比一般常规X射线源高十个数量级，此外还有能谱范围广、准直性好、具有时间结构等很多优点，广泛应用于物理、化学、能源、环境、材料、化工、地质等各个学科领域，是我们人类开展科学前沿探索和解决国家重大需求的国之重器，同步辐射光源也被公认为是影响范围最广、用户和成果最多的大科学装置。

我们国家的同步辐射光源装置经历了近半个世纪的发展历程，从1990年建成的第一代同步辐射光源——北京同步辐射装置，到上海光源，以及今年年底即将完工的第四代北京高能同步辐射光源，通过一批批光源建设者的努力奋斗，从跟跑，到并行，再到努力超越，体现着我们中华儿女推进民族伟大复兴的拼搏精神。

我有幸参与了我们国家从第一代到第四代光源的发展过程，今天在这里与同学们分享我的经历与感受，重温我们是如何通过自身的努力实干，从人有我有，到人有我强，到人无我有，那一幕幕令人激动的光阴和时刻。

我叫刘鹏，1992年从中国科学技术大学毕业后，来到了中国科学院高能物理研究所攻读研究生，并在北京同步辐射装置开展实验研究工作。高能物理研究所的北京正负电子对撞机是我们国家第一个大科学装置，而北京同步辐射装置是正负电子对撞机一机两用的重要分支。当时国际上同步辐射光源已经发展到第三代，北京同步辐射装置在满足国内各个领域科学研究的迫切需求方面发挥着重要作用。

我读研究生期间，对国内首次从德国进口的一维正比计数管和首次从日本进口的离线式二维成像板系统进行应用研究，先后在同步辐射荧光实验站、小角散射实验站和粉末衍射实验站研究新的实验方法与技术，提高实验效率，拓展研究领域。因为工作成绩表现出色，1996年，我在读在职博士研究生期间，承担了我科技生涯中第一个重要的科研项目——北京同步辐射生物大分子晶体学线站建设。

生物大分子晶体学因其自身特点，对光学和探测技术要求都很高。在我的导师冼鼎昌院士的亲自指导下，我组建了团队，开始攻关这一高难度任务。光束线与实验站建设是一个复杂的工程项目，涉及X射线光学、精密加工、精密机械、超高真空、自动化、复杂控制、数据处理与分析等方方面面。我们团队平均年龄不到30岁，为了共同的理想信念，每天都似乎有使不完的劲儿，不懂就问，不会就学，加班加点都是家常便饭。那时候可真是初生牛犊不怕虎，所有工作都是身先士卒，冲在最前边。记得在离线测试我们自主设计的当时国内第一台超长压弯镜系统的时候，我们自己搭建简易洁净间，自己设计、搭建精密光学检测系统。连续一个多月，我每天工作到深夜两三点，其他人走后，我要完成数据处理、设备整理和工作总结，最后一个离开实验室。第二天早上不到6点钟赶到实验室，提前制定新一天的工作计划并完成相应的准备工作。单色器是光束线的关键设备，因为是高精度，又是高真空，从开箱装调一次往往需要好几天。2021年到2022年，为了提升真空度，一项一项的分析、排查原因，最后终于赶在线站安装调试节点前解决了问题。

由于团队年轻、学历高，大家勇于尝试新技术，承担新挑战。我们北京同步辐射生物大分子晶体学线站首次引入、应用了一系列新的方法和技术，取得了众多突破性成果，比如使用XOP、SHADOW等光学追迹模拟软件进行光学设计和分析，使用ANSYS等有限元分析软件进行力热耦合模拟，引入LabVIEW进行控制系统开发，提高效率和便捷度；与上海交通大学合作研发超长X射线压弯反射镜系统、高精度T机构稳定出高双晶单色器等等。

艰苦的付出催生令人欣慰的成果。2003年，我国首个生物大分子晶体学线站投入使用，当年就取得了SARS病毒主蛋白酶结构解析和捕光蛋白结构解析等一系列重大成果。因为成绩显著，作用突出，2005年我又承担了北京同步辐射装置第二条生物大分子晶体学线站（1W2B）的建设以及第一条专用小角散射光束线（1W2A）的建设，并在2007年建成投入使用。此后又陆陆续续推动了其他专用线站的建设工作，如X射线光刻与光学检测线站（1B3）、高能X射线线站（3W1）等。

有我们自己的线站，不用再受国外条件的制约，能让我们的科学家在自己装置上开展实验研究，是我们大科学装置工作者引以为豪的重要一步，但如何能够胜出一筹，为用户提供最顶尖的技术和支持，则是所有同步辐射光源线站工作人员一直孜孜追求的目标。

实现“人有我有”，不断填写国内空白，是发展不可或缺的一环，需要投入大量资源，而要实现“人有我强”则离不开核心技术的掌握与发展。

同步辐射光源的瓶颈问题尤为明显，因为一直以来，关键光学元件和高性能X射线探测器我们都需要依赖进口，高性能X射线光学元件和探测器无法实现国产化。

大家知道，由于复杂激烈的国际竞争，真正高端的仪器设备国外是对我们禁运封锁的，想买也买不到。而依赖国外进口不仅限制了我们能力提升，同时也严重影响我们工程任务的完成，因为跨国公司的销售协议是不保证产品的质量和交付时间的，因为进口问题导致重大项目延期的例子屡见不鲜。

正是认识到这一现实，为了解决这些卡脖子问题，2012年我主持成立了X射线光学与技术实验室，依托已有基础和国内优势资源，持续、系统地开展同步辐射光源线站核心技术的攻关。

直到今天，每每回想起十多年前向习近平总书记当面汇报的一刻，我都心潮澎湃，激动不已。

2013年7月17日，习近平总书记首次莅临中国科学院高能物理研究所视察工作。当天，我作为大科学装置核心技术发展的学科带头人，有幸当面向总书记讲解和汇报工作。

那一天，我在北京同步辐射装置新建的4W1成像实验站光学棚屋见到习近平总书记。我向习近平总书记介绍了北京同步辐射装置现有光束线与实验站的整体情况，以及当时所在成像实验线站的性能指标，身边单色器的功能特点等。

习近平总书记听到我们国家的成像实验站纳米CT空间分辨能力排在世界第三时很高兴，详细询问了一些技术细节后，特别关心地问到关键设备的自主可控情况，我当时指着身边的单色器和聚焦镜镜箱很是自豪的回答说：“这些都是我们国家自主设计、研制的。”

习近平总书记的关心，更坚定了我们坚持自主开发、掌握核心技术的决心和信念。

十多年来，我们研发团队先后获得了国家发改委、科技部、基金委以及科学院和北京市的重大、重点项目支持；2016年在北京市发改委和科学院的联合支持下，建立了怀柔科学城首批高水平交叉研究平台——先进光源技术研发与测试平台，进一步完善了研发环境与条件；与国内顶尖团队密切合作，发挥建制化优势，全面、系统、持续的开展X射线光学、探测等核心技术的研发工作，取得了一项又一项重要成果。

目前高能同步辐射光源正在怀柔科学城紧张建设中。这是我国第一台高能量的光源装置，也是我国第一台第四代的光源设施，也将是国际上最亮的光源。而在决定实验水平与质量的关键环节——光束线与实验站建设中，原来长期需要依赖进口的光学元件和探测器等核心设备，已开始逐步实现国产替代，部分设备甚至已经被应用到国外光源装置。对于十年前习近平总书记关心关切的问题，今天我们已经可以坚定、自豪地回答：对于光学大科学装置的核心技术与设备，我们已经能够实现自主可控。

核心技术的研发过程是非常曲折和艰辛的，需要我们面对的困难和挑战不仅仅是技术层面的，还有管理、工艺等方方面面。二维像素阵列探测器是当今X射线领域的主流探测器，一台探测器动不动就是几百万几千万，技术难度大，门槛高，目前国际上仅有两三个公司生产，他们在几十年的研发基础上，掌握核心技术和产品。我们团队自2012年开始进行二维像素阵列探测器的研发，刚开始也有同事认为这么难的事情挑战大，风险高，几年时间我们不可能做成；有的同志认为研发成本太高，进口设备买来用就是了，何必费时费力费钱地去做？面对这些疑问，研发团队顶住了各种压力，仍然坚持不懈的开展自主研发工作。项目组高效协调运转，每周集中开会部署安排，讨论攻关，群策群力，一个一个地解决各个技术和工艺难题，先后攻克、掌握了半导体传感器芯片、集成电路读出芯片、高密度封装工艺，高带宽读出电子学、海量数据快速处理、复杂系统集成与刻度等等技术难题，2015年提前完成原理样机的研制，各项性能指标达到国际先进水平。

在一款时间分辨探测器的研发过程中，为了解决纳秒处理过程中的震荡现象，我们研发团队从12年到13年，反复实验，一次次地分析、排查、确定和解决各种可能的因素和问题。当时有人说：“这么长时间没有解决问题，没有金刚钻就不要揽瓷器活。” 我当时讲：“所有的关键技术如果那么容易去做的话还怎么叫世界性难题，没有这种反复的尝试，怎么可能会轻易获得成功？”。经过团队不懈的努力和坚持，最终解决了问题，完成研发任务。目前这款探测器不仅用在我国光源装置，还出口应用到了美国先进光源的多个实验站。

系统建设专业化团队和专业实验室，联合国内顶尖院所高校与头部企业进行合作，持续不断的开展研发工作，对核心技术进行全覆盖，形成体制化与建制化优势是我们的重要特色。例如，在二维像素阵列探测器封装工艺研发时，我们联系了当时国内最有实力的三家单位，分别进行攻关，最后选择效果最好、可靠性最高的单位；在谱学探测器ASIC前放芯片的研发中，我们先后支持了国内5家优秀团队独立研发，以保证进度节点。近几年，许多欧美和日本的专家访问我们平台与实验室，对我们核心技术的进展、水平和能力都赞叹不已，给出很高评价。这份成绩不只属于我们团队自己，而是归属于国家众多顶尖团队的配合与协作。我们的背后是整个国家的实力在支撑。大科学装置的发展从“人有我有”、“人有我强”进入到追求“人无我有”的新阶段，建成后的高能同步辐射光源，作为国际领先的科研基础设施，将为材料科学、生命科学、能源环境、先进制造等前沿领域提供前所未有的研究手段，吸引集聚全球顶尖人才，推动跨学科交叉融合，为我国加快实现高水平科技自立自强发挥重要作用。

基于探测器技术和光学技术的自主可控与强大支撑，我们不断探索、发展新的实验技术和方法。同步辐射光束具有波谱连续的优势，就像太阳光是白光，赤橙黄绿青蓝紫全都包含在内。但是截止目前为止大多数同步辐射实验还是在用单色光进行测试，利用效率仅有万分之一。利用我们自主发展的探测器技术，我们推出了一系列创新的白光实验技术。例如通过谱学阵列探测器进行粉末样品高通量表征，不仅可以效率提升几个量级，而且可以同时获得样品的结构和成分信息；利用自主研制的全新四维探测器，开展白光瞬态大分子结构检测，解决结晶困难、样品容易辐射损伤等一系列传统瓶颈问题，几个样品瞬间获得全套数据。同步辐射光源亮度高，非常适合开展超快过程检测。当前国际上最快的X射线连续动态过程检测能力可以到微妙量级，我们利用分幅技术可以达到纳秒水平，这已经几乎到了探测器电子学的极限。而利用我们自己发展光学分光技术，更进一步将连续测量能力提升至皮秒。利用我们探测器和光学技术优势，我们打破光束线和实验站按照衍射、散射、谱学和成像进行划分的传统模式，提出了全维度的新范式，一个样品原位就可以同时开展各种实验方法，获得全维度的信息。

如果说以往我们线站建设和实验方法还都是在学习、跟踪国外的经验和模板，我坚信再过几年，我们一定会推出一系列全新的实验方法和技术，让全世界跟我们来学习。

亲爱的同学们，我们庆幸我们生长在一个伟大的时代，新时代给予我们难得的机遇与挑战，国家富强、民族振兴的中国梦赋予我们神圣使命。我们要不忘初心，牢记使命，努力做到追逐光，靠近光，成为光，照亮中华民族的复兴之路！

我们的征途就像在攀爬一座高山，只要目标正确，方向正确，即使再多坎坷，再多起伏，只要我们坚持不放弃，只要我们永远保持能够战胜各种困难、挑战的勇气和信心，我们终将不断接近终点，而且沿路不断收获迷人的风景。