對活細胞進行納米尺度高分辨成像，探究細胞功能的動態機制，掌握細胞應對病毒侵染的免疫反應，服務人民生命健康；
支撐以光刻為代表的國家重大需求，解決下一代光刻技術中，光源、光學系統和光刻膠中的關鍵技術問題；揭示量子材料中新奇現象的形成機理，服務國家重大科技戰略……
上海軟X射線自由電子激光（以下簡稱上海軟線）是我國首臺X射線波段的自由電子激光裝置，也是國際上最先進的光子大科學設施之一。它的建成出光，極大地提升了我國科學家探索微觀世界超快過程的能力，很多以前看不見的現象、做不了的實驗現在可以開展研究了。
“30年篳路藍縷、接力奮斗，我們已經從‘跟跑’‘并跑’開始向‘領跑’沖刺。”中國科學院上海高等研究院（以下簡稱上海高研院）研究員、上海光源科學中心副主任、上海軟X射線自由電子激光裝置運行總負責人馮超告訴《中國科學報》。
在此過程中，上海高研院軟線團隊以敢啃硬骨頭的勇氣，追求極致的精神和凝心聚力的胸懷，詮釋了“上海光源精神”的新時代內涵。該團隊“十年破壁”，在飛秒時間、納米空間尺度打造敏銳的“科學之眼”，在沖擊光源裝置“制高點”的同時，也為依托光源進行前沿研究，為搶占科技制高點的科學家提供了“利器”。
馮超（前排右三）和上海軟線運行團隊部分人員合影位于上海光源北側的上海軟線裝置
勇蹚新路啃下硬骨頭
大科學裝置建設具有工程和科研的雙重屬性，由于投資體量巨大，我國以往大科學裝置采用跟隨國際主流方案的策略，在這種情況下，很多從“0”到“1”的成果會被國外率先取得。
“光源大科學裝置像一臺‘超級顯微鏡’，能讓微觀世界‘纖毫畢現’。”馮超說，“如果把同步輻射光源看作‘分子相機’，自由電子激光（可據光譜覆蓋范圍分為軟X射線自由電子激光和硬X射線自由電子激光）就像高速攝像機，能拍攝‘分子電影’”。
作為新一代光源，自由電子激光的脈沖長度極短，能捕捉飛秒甚至亞飛秒量級（1秒＝1015飛秒）的分子動態變化。借助它，人類有望看到化學鍵斷裂、觀察病毒侵染活細胞的過程或進行微觀物質結構動態變化過程的分析。因此，要支撐我國科學家取得突破性、原創性成果，引領新一代光源的建設和發展十分重要。
20世紀80年代，我國開始建設大型加速器裝置，從北京正負電子對撞機（BEPC）、合肥同步輻射裝置（HLS），到上海光源（SSRF），中國大科學裝置建設之路走得艱辛而篤定。
“現在，我們已經到了開始沖擊‘領跑’階段。”談及光源建設，馮超語氣自豪，“沖擊‘領跑’必須自主創新，必須啃‘硬骨頭’。”
2014年，上海軟X射線自由電子激光啟動建設，在中國工程院院士趙振堂的領導下，團隊決定探索新機制，用全新技術路徑做全相干光源。
“那絕對是塊‘硬骨頭’。”馮超說，“當時國際主流方案是自放大自發輻射型自由電子激光，它的相干性（單色性）不理想，我們的目標是產生X射線波段的‘激光’，因而采用自主提出的EEHG-HGHG（回聲高次諧波放大和高增益高次諧波放大）混合級聯機制，它比傳統方案復雜得多，技術挑戰也大很多，且國際上沒有成熟案例可參考，我們必須‘蹚’出條新路，找到自己的技術路徑。”
2018年，在理論推演可行后，團隊開始在實驗上探索這一新技術路徑。和主流方案相比，新方案有望實現真正意義上的“X射線激光”，從而看清原來看不到、看不清的物理化學現象，做原來做不了的前沿科學實驗，但建設、維護和運行難度也隨之增加。
“如果采用傳統方案，差不多兩個月就能實現飽和出光。但我們要‘蹚’新路，這條新路是否行得通行我們心里沒底。”馮超說。
在此后1年多的實驗中，團隊看不到一絲希望。最艱難的時候，團隊成員一度產生過放棄的念頭。
這時，趙振堂不斷給團隊“打氣兒”，鼓勵大家堅持下去，讓大家相信“這個‘東西’一旦做出來，就是獨一無二、世界一流的成果”。
使命感和對自己所做工作的期待讓團隊在“備受煎熬”中堅持了下來，經過反復嘗試、不斷改進。2020年，團隊終于實現了國際上首個EEHG-HGHG混合級聯型自由電子激光出光放大，并通過國家驗收。
團隊自主研發的波蕩器（自由電子激光放大器）波蕩器線之一團隊自主研發的波蕩器（自由電子激光放大器）波蕩器線之二
追求極致成就“大而精”
“上海軟線的特點是‘大而精’。”上海高研院研究員、加速器物理與激光技術部直線加速器物理組組長谷端解釋說，“上海軟線由上千臺套設備、數以萬計的零部件組成，盡管它是個‘大家伙’，卻極其精密，任何一處細小差錯，都可能導致狀態不穩，甚至拖累光源裝置‘宕機’”。
調試開始時，研究人員發現一個規律：每天早上5點，當上海市從沉睡中醒來時，上海軟線監測系統的屏幕上，參數曲線的抖動明顯加劇，直到23點后曲線才趨向平穩。
很快，團隊意識到這是人類活動對儀器的影響。對這樣精密的科學設施來說，數公里外汽車、地鐵、電網等各種人類活動都會影響系統參數。因此，參數優化階段，研究人員會選擇深夜至凌晨的“黃金時段”工作。
2020年12月，直線加速器部分的主要工作完成，團隊似乎“看到了一線曙光”，準備邀請專家到現場進行測試和指導。
測試前一天深夜，上海高研院研究員、加速器物理與激光技術部直線加速器物理組副組長王震正在優化參數，忽然看到反饋系統提示：冷卻系統異常。
“那是光源裝置的溫控設備，上面有一處輕微的水管滴漏。”王震說，“盡管只是很小的問題，但光源是個整體，不允許出現任何差錯。”
王震當即撥通溫控設備負責人的電話，要求迅速處理問題。滴漏解決后，研究人員重啟裝置，又經過30多小時連續奮戰，終于將加速器恢復到最佳狀態。
“上海軟線有上千臺套設備，數萬個零部件，涉及幾千種參數。”王震說，“通常一臺機器的可靠性達99%就很好了，對光源這樣復雜的裝置來說，每個部分99%的可靠性，上千套設備、數萬個部件組合起來就一定會出問題。因此我們要求各種設備、部件的可靠性達到99.99％。”
“‘大而精’要求我們要緊密協作、集智攻堅、把所有環節都做到極致。”谷端補充說：“首先是硬件團隊把所有硬件做到最好，然后所有系統緊密配合，再逐步進行優化。也就是說，各環節做到極致，才能支撐整體的最佳狀態。”
上海軟線裝置分加速器、自由電子激光放大器、實驗線站等部分。加速器產生的高能電子束，要精確控制其在波蕩器系統中的軌道和聚焦，才能產生X射線自由電子激光。在50米長的磁場中，要保持磁鐵的磁中心、電子束中心和輻射光中心在微米尺度精確重合并保持穩定。如果將比例放大到子彈大小，其難度堪比在數萬米外，三把手槍同時射出子彈并相互命中。
為保持系統穩定，團隊多專業組攜手開發出一套基于束流的反饋系統，它能監測并調控多種參數，一旦外界干擾，系統會自動調整，保持關鍵參數穩定。反饋系統投入使用后，裝置穩定性明顯提升。
馮超（右一）帶領研究生開組會（本組圖片由受訪團隊提供）多走一步聚力克難關
上海軟線的穩定運行涉及變量極多，要在浩瀚的數據中找出最好狀態，難度可想而知。為保證調參進度，團隊采取逐節優化策略，從加速器結構設計、到線圈補償優化，每一環節都仔細打磨、反復調試。
“在此基礎上，我們才開始繼續向后優化，一步步將直線加速器、光路、傳輸，測量、診斷等方面的穩定性、可靠性提升至最優狀態。”馮超說。
2022年3月，上海軟線用戶裝置調試進入關鍵期，為搶抓進度，團隊成員長時間堅守崗位。恰在此時，上海市突發新冠疫情，多數成員被“封”在工作現場。
“疫情讓城市突然‘靜下來’，外界對設備參數的干擾也隨之減小，這反而成了一個難得的‘窗口期’。”上海高等研究院副研究員劉濤回憶道，“大家集中在一起，正好全力攻關。”經過70多天的實驗室奮戰，上海軟線團隊終于攻克了數項重要技術指標。“我們相信，每個環節比別人多走一步，才能完成看似不可能的任務。”劉濤說。
這種“多走一步”的精神，成為團隊協作的核心動力。30多個專業組在攻堅過程中實現了無縫銜接。馮超表示，“正是每個人主動向前、彼此支撐，才形成了我們強大的凝聚力和驅動力。”
他舉了一個例子：因為需要不斷自主探索路徑，團隊成員常常提出一些看似“奇葩”的需求。然而，負責基礎硬件設計的工程師俞成卻從未拒絕過這些要求。馮超感慨道：“我們那些奇怪的想法，如果找外部供應商加工，肯定會遭到拒絕。但俞老師從來不會說‘不’，他總會再向前多走一步。”
正是憑借這股“不懂拒絕”的勁頭，團隊成功研制出多項特殊設備，其中包括世界第一臺種子型自由電子激光“診斷波蕩器”和目前國內最長的太赫茲電磁扭擺器，它們也成功應用在了大科學裝置的建設、調試和運行中。
2021年，上海高研院工程師張展飛加入軟線團隊，負責設備運維和升級。其間，一臺日產壓彎件出現故障，日方技術人員耗時兩個多月仍未能解決。團隊深刻意識到，必須實現核心零部件的自主可控。
在馮超的支持下，張展飛開始尋找解決方案。該部件需在超高真空環境中運行，精度要求極高，但因難度大、用戶少，多家廠商均不愿承接。國內類似產品多采用普通樹脂或橡膠材質，存在釋氣、老化等問題，無法滿足超高真空環境要求。經多個專業組深入討論，團隊最終決定采用特殊金屬材料進行加工。張展飛經過一個多月與廠家的反復溝通與工藝磨合，終于完成了滿足所有精度要求的部件加工。
工程師孫麗萍在首次參加團隊例會時，就被馮超和王震的專業能力深深震撼。“三個小時的高質量輸出，對幾十個系統的問題對答如流，還能迅速切中要害。”她表示，時間久了才明白，這種博學背后是持續學習、自我更新的能力。
“雖然任務重、困難多，但我從沒怕過。”孫麗萍說，“我們團隊敢打敢拼，擁有持續的學習力、超強行動力和持久戰斗力。”
對此，負責控制系統的工程師趙歡深有同感。自2010年進入項目組，她感覺仿佛進入了一個“全新的學習進程”。“控制系統需與20多個專業組緊密對接，為調束人員與設備間建立可靠的信息通道。各專業領域關注點不同，唯有互相學習、打破界限，一起面對問題，共同解決。”
“這是一個朝氣蓬勃，凝聚力、戰斗力超強的團隊。”上海高研院黨委副書記、紀委書記唐錚說，他們以家國為底色、以創新為靈魂、以協作為紐帶建大科學裝置，這種眼光和胸懷一定會迎來“高光時刻”。
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