在上海張江科學城地下30米深處，一條長達3.11公裏的“地下巨龍”正悄然覺醒。這就是我國唯一、全球唯二的高重頻硬X射線自由電子激光裝置——上海硬X射線自由電子激光裝置（SHINE）。

這座總投資100億(yi) 的國家重大科技基礎設施——從(cong) 2018年開工到2024年隧道全線貫通，再到2025年即將實現首次出光，即將點亮人類觀測微觀世界的全新“燈塔”。

作為(wei) 全球僅(jin) 有的兩(liang) 台基於(yu) 連續波超導加速技術的高重頻X射線激光裝置之一，SHINE的X射線峰值亮度將達到第三代同步輻射光源的十億(yi) 倍，脈衝(chong) 短至飛秒級（1秒的一千萬(wan) 億(yi) 分之一），使科學家得以拍攝原子運動的“分子電影”。

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地下“巨龍”

上海硬X射線自由電子激光裝置是“十三五”國家重大科技基礎設施優(you) 先啟動項目，由上海科技大學牽頭，聯合中科院上海高等研究院、上海光學精密機械研究所共建，總投資約100億(yi) 元，於(yu) 2018年4月正式開工。

這座深埋地下29米的“地下科學城”，由直線加速器隧道、波蕩器隧道、光束線隧道構成，總長3110米，相當於(yu) 34個(ge) 標準足球場首尾相連。這個(ge) 裝置的核心建設內(nei) 容包括8GeV兆赫茲(zi) 級高重頻超導直線加速器、3條覆蓋0.4-25千電子伏特光子能量的波蕩器線、3條光學束線及首批10個(ge) 實驗站，可實現從(cong) 單分子成像到極端光物理研究的全場景覆蓋。

2018年4月開工以來，建設團隊首先要攻克的是“地下迷宮”的施工難題：5個(ge) 工作井需貫穿運營中的上海地鐵13號線，最近距離僅(jin) 1.8米，垂直淨距3.6米——這是上海首次“三穿三”軌道穿越施工。為(wei) 避免地鐵沉降，施工團隊采用“克泥效壓注”“環箍注漿”等技術，將13號線沉降控製在3毫米內(nei) ，堪稱“毫米級”的地下平衡術。

2022年12月，隨著1至5號工作井隧道全線貫通，SHINE的“骨架”初現；2024年，注入器甚高頻電子槍完成集成並順利出束，標誌著電子束源頭被打通；同年，3套2K低溫工廠成功降溫至-271.15℃（接近絕對零度），為(wei) 超導加速模組提供“極寒動力”。

如今，隧道內(nei) 設備安裝已進入尾聲，5個(ge) 工作井中，1至4號井及基地全麵進入工藝設備安裝階段，5號井正進行公用設施收尾——這座“地下巨龍”正以肉眼可見的速度“蘇醒”。

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“光劍出鞘”

2025年，SHINE將迎來激動人心的“出光”時刻——計劃年內(nei) 實現超導直線加速器調試與(yu) 首次自由電子激光放大“出光”。

屆時，當8GeV高能電子束在超導加速器中被加速至接近光速，進入波蕩器後在周期性磁場中“舞動”，產(chan) 生波長短至0.05納米的硬X射線激光脈衝(chong) ，其峰值亮度預計達10^17光子/秒/平方毫米，比第三代同步輻射光源高10億(yi) 倍，脈衝(chong) 寬度壓縮至飛秒級（1秒的千萬(wan) 億(yi) 分之一）。

這束光不僅(jin) 將驗證裝置設計的科學性，更將為(wei) 後續實驗站提供“分子電影”級的觀測能力——從(cong) 捕捉電池材料中的鋰離子遷移，到解析蛋白質動態構象，一切超快過程都將無所遁形。

這一過程被科學家比喻為(wei) “用激光筆照亮原子世界”，標誌著我國正式邁入“硬X射線自由電子激光俱樂(le) 部”。

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極致之光

據介紹，SHINE的獨特性在於(yu) “雙會(hui) 聚”能力——既是國際最高重頻的硬X射線自由電子激光，又能與(yu) 超強超短激光深度耦合。這一設計使其成為(wei) 全球唯一能同時輸出硬X射線與(yu) 極端光場的平台，為(wei) 研究物質在極端條件下的行為(wei) 提供“雙視角”。

值得一提的是，這個(ge) 裝置的性能參數堪稱硬核：光子能量覆蓋0.4-25keV，可探測接近原子尺度的結構；單脈衝(chong) 能量達毫焦耳級，足以激發材料中的非線性效應；高相幹性則確保衍射圖案的精度達到埃級（10^-10米）。

更關(guan) 鍵的是，SHINE采用模塊化設計，3條波蕩器線與(yu) 10個(ge) 實驗站可靈活切換，滿足從(cong) 單分子成像到極端光物理的多元需求。正如該項目團隊成員所言：“這不是一台裝置，而是一個(ge) 跨學科的科研生態係統。”

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科學革命

事實上，SHINE的意義(yi) 遠超一台科研工具——SHINE的硬X射線如同打開微觀宇宙的鑰匙，將催生多學科顛覆性突破。

在科學研究層麵，它將為(wei) 材料科學提供“原子級顯微鏡”，揭示高溫超導體(ti) 的量子糾纏機製；在生命科學中，可動態追蹤蛋白質折疊過程，加速靶向藥物研發；在能源領域，更能解析光催化反應中的電荷轉移路徑，推動清潔能源技術突破。

從(cong) 技術層麵來看，SHINE帶動了超導技術、精密加工、低溫工程等領域的自主創新。例如，我國成為(wei) 第二個(ge) 掌握常溫射頻連續波電子槍技術的國家，相關(guan) 技術已應用於(yu) 半導體(ti) 設備國產(chan) 化。

更深遠的影響在於(yu) ，SHINE與(yu) 上海光源、軟X射線裝置等組成世界級光子科學集群，使中國與(yu) 美歐形成三足鼎立格局。

未來，當全球頂尖的科學家匯聚上海張江，這裏不僅(jin) 將成為(wei) “光子科學的麥加”，更將重塑中國在國際科研規則製定中的話語權。