我国筹建中的五大光学大科学装置
发布时间：2024-11-06 来源：光电汇 阅读次数：1314 分享到：
新一轮科技革命浪潮奔涌，充满机遇和挑战。
“工欲善其事，必先利其器”。被称为“大科学装置”的国家重大科技基础设施，正是推动重大科技创新的利器。“中国天眼”、中国散裂中子源、东方超环、上海光源等设施，已然成为人们熟知的科技“明星”、国之重器。
中国科学院院士、中国科学院高能物理研究所所长王贻芳表示，截至2023年底，中国已布局建设77个国家重大科技基础设施，在建和运行的大科学装置达57个，已覆盖主要科研领域，部分设施综合水平迈入全球“第一方阵”。
国内正在筹建中的光学大科学装置简要汇总如下：
松山湖先进阿秒激光设施
先进阿秒激光设施是我国“十四五”期间布局规划的重大科技基础设施之一，已确定由中国科学院物理所与西光所共建，位于东莞的松山湖材料实验室也参与建设。因涉及多个单位，整体设施故分西安与东莞两部分。
落地东莞的松山湖先进阿秒激光设施于9月宣布已正式获得国家发改委概算批复，即将开工建设。该设施总投资15亿元，占地面积140亩，将建设极紫外阿秒光源、高重频阿秒光源、高脉冲能量阿秒光源、软X射线阿秒光源及超快硬X 射线/γ射线源五类阿秒光源，并根据这些光源的应用对象建设相关研究平台。通过高起点设计，建设具有高重复频率、高光子能量、高通量及极短脉宽的多束线站，提供最短脉宽小于60 as、最高光子能量可到500 eV的超快相干辐射，并配备建设相应的应用研究平台，建成后综合指标有望实现国际领先。
该设施建成后能同时从阿秒时间尺度和纳米空间尺度，全面揭示自然界存在的内壳层电子、价电子、自由电子等电子形态运动规律以及与电子耦合的其他作用机理，实现对超快电子运动的跟踪测量和操控，为包括高温超导、量子计算、癌症治疗等多个重大基础科学问题的突破提供强劲推力。
中国科学院院士、松山湖材料实验室主任汪卫华透露，中国科学院物理研究所作为该装置建设法人单位，携松山湖材料实验室，在松山湖建设国内首个先进阿秒激光设施，其中6条束线及实验系统将落地东莞。该设施建成后，将成为亚洲首个、世界第二个阿秒激光大科学装置。
为建设管理运行好先进阿秒激光设施，中国科学院物理研究所已联合松山湖材料实验室成立了阿秒科学中心，聚集了一大批国内外优秀的研究人员和工程技术人员，希望依托先进阿秒激光设施建成一个超快物质科学的国际化研究中心。
先进阿秒激光设施（西安部分）
由中国科学院西安光机所承担建设的“先进阿秒激光设施”（西安部分）于2024年11月3日正式启动建设，建设周期5年。建设目标是通过建设软X射线束线和高能量THz束线以及相应的研究终端，提供国际最先进的阿秒光脉冲，结合应用终端突破限制多个科技领域发展的底层科学难题，推动重大基础研究原始创新和产业升级。
“先进阿秒激光设施”（西安部分）项目已得到国家发展和改革委员会、中国科学院和陕西省的大力支持，也被列为西安区域科技创新中心的核心建设内容。值得一提的是，建设该大科学装置是在2016年由时任西安光机所所长赵卫首次提出，2020年正式申报，如今再取得突破性进展，前后历时8年时间。
据悉，该设施将建设当前最先进的、应用终端覆盖全面的、以阿秒时间分辨能力和高度时空相干性为主要特点的综合性超快电子动力学研究设施。建成后将利用阿秒激光，结合其超短脉宽和高空间分辨率，通过时间分辨的光谱、电子能谱测量及成像等技术手段，面向基础研究领域的一系列重大科学问题，对包括高速光电器件、超导材料、光伏发电、光合作用等过程中的深层次超快动力学过程展开探索。
同步辐射光源被誉为“前沿科研的眼睛”、“科技的灯塔”，是现代科学不可或缺的大型研究平台。2023年9月，合肥先进光源国家重大科技基础设施项目及配套工程在安徽省合肥市未来大科学城宣布启动建设，预计在2027年建成。
作为一座可以盛纳精密仪器装备、开展先进科学试验的世界级大科学平台，合肥先进光源项目占地约600亩，包含主体建筑、能源中心，以及测试楼、服务楼等配套建筑。从空中俯瞰，整个工程规划上就像一只巨大的“灵眸”。
其中，合肥市先进光源配套工程项目总建筑面积约3万 m2，主要建设内容为综合测试大厅、加速器测试大厅、车间、综合科研楼、生活服务楼等。合肥先进光源项目是国际先进的低能区第四代同步辐射装置，建成后将在空间、时间、能量等维度发展具有更高精度和灵敏度的实验方法，在物理、电子、信息、化学化工、材料、生命科学等领域发挥关键作用。经过科学调度和有序建设，目前项目综合测试大厅、加速器测试大厅、车间三栋单体已完工；综合科研楼和生活服务楼三层主体结构已结束施工，封顶节点目标顺利完成。
合肥先进光源建成后，将助力打造世界级的光子科学与应用中心，推动我国形成全能量区覆盖的先进光源体系，促进前沿科技发展、创新能力建设，战略性产业变革和综合国力提升。
北京怀柔高能同步辐射光源
北京高能同步辐射光源（HEPS），作为我国第一台高能同步辐射光源，是国家“十三五”重大科技基础设施之一，由中国科学院高能物理研究所承担建设。HEPS不仅代表了中国在大科学装置领域的最新成就，更是世界上亮度最高的第四代同步辐射光源之一，可以发射比太阳亮1万亿倍的光。其亮度将比美国的NSLS-II高70倍，比瑞典的MAX IV高10倍。
HEPS自2019年6月启动建设，目前直线加速器、增强器已成功出束，其储存环的磁铁、机械、电源、预准直系统的研制任务已全部完成并成功安装，真空、束控、注入引出、高频、低温等设备和光束线站批量加工测试工作正在紧张推进中，预计今年内将发射“第一束光”，并于2025年底通过验收。
在应用领域，HEPS将支持先进材料、航空航天、能源、环保、医药等前沿科学研究和国家发展战略中的关键技术问题。例如，它可以用于解析蛋白质的原子结构，观察单晶的生长过程，探究材料在制造和服役过程中的失效因素，以及解释重要蛋白的功能，推动新药发明等 。
目前全球在用或在建的同步加速器约有70个，但只有一小部分属于第四代——第四代加速器能产生最亮最聚焦的光源。HEPS的电子束将成为全球最窄的电子束，能产生非常强的X射线。HEPS的成功建设将填补我国高能同步辐射光源的空白，并与我国现有的光源形成能区互补。未来，HEPS将全天时运行，面向多用户、多领域开放，成为国家重大战略需求和前沿基础科学研究的技术支撑平台。
南方先进光源
2024年10月26日，中国散裂中子源科学中心与香港和澳门的8所高校正式签署了合作协议。这标志着粤港澳大湾区首台同步辐射光源——南方先进光源的建设全面启动。
南方先进光源是拟在粤港澳大湾区新建的第四代衍射极限同步辐射光源，其束流发射度和亮度将达到所在能区的国际领先水平。同步辐射光源就像观测物质微观结构的“探照灯”，可以产生“全且亮”的X光，“看清”物质结构的静态构成和动态演化，将为材料科学、生物医学、能源材料、化学工程、环境等多个领域提供强有力的技术支撑。与怀柔的高能同步辐射光源不同，南方先进光源定位于中能区，这类光源装置在国际上数量最多，支撑领域也更为广泛。
该大型科学装置预计可与通过中子探针观察物质的微观结构和动力学、主要与物质的原子核相互作用的散裂中子源，发挥强大的互补性。在我国，除了粤港澳大湾区以外的3个综合性国家科学中心，都已建设了同步辐射光源装置，正在策划兴建的南方先进光源，与已有的散裂中子源并称为“超级显微镜”。
为推动南方先进光源的前期准备工作，由国内代表性用户及同步辐射研究领域的专家组成的南方先进光源指导委员会，已多次召开用户会议，持续加快推进该项目的建设进程。目前，南方先进光源项目已完成物理方案的设计和优化，关键技术预研进展顺利，初步成果显著，已经满足首批建设10条光束线站的规划需求。
“工欲善其事，必先利其器”。被称为“大科学装置”的国家重大科技基础设施，正是推动重大科技创新的利器。“中国天眼”、中国散裂中子源、东方超环、上海光源等设施，已然成为人们熟知的科技“明星”、国之重器。
中国科学院院士、中国科学院高能物理研究所所长王贻芳表示，截至2023年底，中国已布局建设77个国家重大科技基础设施，在建和运行的大科学装置达57个，已覆盖主要科研领域，部分设施综合水平迈入全球“第一方阵”。
国内正在筹建中的光学大科学装置简要汇总如下：
松山湖先进阿秒激光设施
先进阿秒激光设施是我国“十四五”期间布局规划的重大科技基础设施之一，已确定由中国科学院物理所与西光所共建，位于东莞的松山湖材料实验室也参与建设。因涉及多个单位，整体设施故分西安与东莞两部分。
落地东莞的松山湖先进阿秒激光设施于9月宣布已正式获得国家发改委概算批复，即将开工建设。该设施总投资15亿元，占地面积140亩，将建设极紫外阿秒光源、高重频阿秒光源、高脉冲能量阿秒光源、软X射线阿秒光源及超快硬X 射线/γ射线源五类阿秒光源，并根据这些光源的应用对象建设相关研究平台。通过高起点设计，建设具有高重复频率、高光子能量、高通量及极短脉宽的多束线站，提供最短脉宽小于60 as、最高光子能量可到500 eV的超快相干辐射，并配备建设相应的应用研究平台，建成后综合指标有望实现国际领先。
该设施建成后能同时从阿秒时间尺度和纳米空间尺度，全面揭示自然界存在的内壳层电子、价电子、自由电子等电子形态运动规律以及与电子耦合的其他作用机理，实现对超快电子运动的跟踪测量和操控，为包括高温超导、量子计算、癌症治疗等多个重大基础科学问题的突破提供强劲推力。
中国科学院院士、松山湖材料实验室主任汪卫华透露，中国科学院物理研究所作为该装置建设法人单位，携松山湖材料实验室，在松山湖建设国内首个先进阿秒激光设施，其中6条束线及实验系统将落地东莞。该设施建成后，将成为亚洲首个、世界第二个阿秒激光大科学装置。
为建设管理运行好先进阿秒激光设施，中国科学院物理研究所已联合松山湖材料实验室成立了阿秒科学中心，聚集了一大批国内外优秀的研究人员和工程技术人员，希望依托先进阿秒激光设施建成一个超快物质科学的国际化研究中心。
先进阿秒激光设施（西安部分）
由中国科学院西安光机所承担建设的“先进阿秒激光设施”（西安部分）于2024年11月3日正式启动建设，建设周期5年。建设目标是通过建设软X射线束线和高能量THz束线以及相应的研究终端，提供国际最先进的阿秒光脉冲，结合应用终端突破限制多个科技领域发展的底层科学难题，推动重大基础研究原始创新和产业升级。
“先进阿秒激光设施”（西安部分）项目已得到国家发展和改革委员会、中国科学院和陕西省的大力支持，也被列为西安区域科技创新中心的核心建设内容。值得一提的是，建设该大科学装置是在2016年由时任西安光机所所长赵卫首次提出，2020年正式申报，如今再取得突破性进展，前后历时8年时间。
据悉，该设施将建设当前最先进的、应用终端覆盖全面的、以阿秒时间分辨能力和高度时空相干性为主要特点的综合性超快电子动力学研究设施。建成后将利用阿秒激光，结合其超短脉宽和高空间分辨率，通过时间分辨的光谱、电子能谱测量及成像等技术手段，面向基础研究领域的一系列重大科学问题，对包括高速光电器件、超导材料、光伏发电、光合作用等过程中的深层次超快动力学过程展开探索。
同步辐射光源被誉为“前沿科研的眼睛”、“科技的灯塔”，是现代科学不可或缺的大型研究平台。2023年9月，合肥先进光源国家重大科技基础设施项目及配套工程在安徽省合肥市未来大科学城宣布启动建设，预计在2027年建成。
作为一座可以盛纳精密仪器装备、开展先进科学试验的世界级大科学平台，合肥先进光源项目占地约600亩，包含主体建筑、能源中心，以及测试楼、服务楼等配套建筑。从空中俯瞰，整个工程规划上就像一只巨大的“灵眸”。
其中，合肥市先进光源配套工程项目总建筑面积约3万 m2，主要建设内容为综合测试大厅、加速器测试大厅、车间、综合科研楼、生活服务楼等。合肥先进光源项目是国际先进的低能区第四代同步辐射装置，建成后将在空间、时间、能量等维度发展具有更高精度和灵敏度的实验方法，在物理、电子、信息、化学化工、材料、生命科学等领域发挥关键作用。经过科学调度和有序建设，目前项目综合测试大厅、加速器测试大厅、车间三栋单体已完工；综合科研楼和生活服务楼三层主体结构已结束施工，封顶节点目标顺利完成。
合肥先进光源建成后，将助力打造世界级的光子科学与应用中心，推动我国形成全能量区覆盖的先进光源体系，促进前沿科技发展、创新能力建设，战略性产业变革和综合国力提升。
北京怀柔高能同步辐射光源
北京高能同步辐射光源（HEPS），作为我国第一台高能同步辐射光源，是国家“十三五”重大科技基础设施之一，由中国科学院高能物理研究所承担建设。HEPS不仅代表了中国在大科学装置领域的最新成就，更是世界上亮度最高的第四代同步辐射光源之一，可以发射比太阳亮1万亿倍的光。其亮度将比美国的NSLS-II高70倍，比瑞典的MAX IV高10倍。
HEPS自2019年6月启动建设，目前直线加速器、增强器已成功出束，其储存环的磁铁、机械、电源、预准直系统的研制任务已全部完成并成功安装，真空、束控、注入引出、高频、低温等设备和光束线站批量加工测试工作正在紧张推进中，预计今年内将发射“第一束光”，并于2025年底通过验收。
在应用领域，HEPS将支持先进材料、航空航天、能源、环保、医药等前沿科学研究和国家发展战略中的关键技术问题。例如，它可以用于解析蛋白质的原子结构，观察单晶的生长过程，探究材料在制造和服役过程中的失效因素，以及解释重要蛋白的功能，推动新药发明等 。
目前全球在用或在建的同步加速器约有70个，但只有一小部分属于第四代——第四代加速器能产生最亮最聚焦的光源。HEPS的电子束将成为全球最窄的电子束，能产生非常强的X射线。HEPS的成功建设将填补我国高能同步辐射光源的空白，并与我国现有的光源形成能区互补。未来，HEPS将全天时运行，面向多用户、多领域开放，成为国家重大战略需求和前沿基础科学研究的技术支撑平台。
南方先进光源
2024年10月26日，中国散裂中子源科学中心与香港和澳门的8所高校正式签署了合作协议。这标志着粤港澳大湾区首台同步辐射光源——南方先进光源的建设全面启动。
南方先进光源是拟在粤港澳大湾区新建的第四代衍射极限同步辐射光源，其束流发射度和亮度将达到所在能区的国际领先水平。同步辐射光源就像观测物质微观结构的“探照灯”，可以产生“全且亮”的X光，“看清”物质结构的静态构成和动态演化，将为材料科学、生物医学、能源材料、化学工程、环境等多个领域提供强有力的技术支撑。与怀柔的高能同步辐射光源不同，南方先进光源定位于中能区，这类光源装置在国际上数量最多，支撑领域也更为广泛。
该大型科学装置预计可与通过中子探针观察物质的微观结构和动力学、主要与物质的原子核相互作用的散裂中子源，发挥强大的互补性。在我国，除了粤港澳大湾区以外的3个综合性国家科学中心，都已建设了同步辐射光源装置，正在策划兴建的南方先进光源，与已有的散裂中子源并称为“超级显微镜”。
为推动南方先进光源的前期准备工作，由国内代表性用户及同步辐射研究领域的专家组成的南方先进光源指导委员会，已多次召开用户会议，持续加快推进该项目的建设进程。目前，南方先进光源项目已完成物理方案的设计和优化，关键技术预研进展顺利，初步成果显著，已经满足首批建设10条光束线站的规划需求。
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