国家重大科技基础设施（大设施）是开展基础研究的“国之重器”，是前沿探索的核心工具和承载平台。目前，北京在怀柔科学城布局的重大科技基础设施平台达37个，组成了全国密度最高的重大科技基础设施平台集群。

截至2025年年底，累计开放机时达到177万小时，为全球科研工作者提供了良好的基础研究条件。

“超级显微镜”即将正式开放运行

燕山南麓，雁栖湖畔，一座银灰色的巨型环形装置静卧群山间，从空中俯瞰，如同一面架在大地上的放大镜。在北京怀柔科学城，我国首台高能同步辐射光源（HEPS），也是亚洲首个第四代同步辐射光源正在从建设阶段转向正式开放运行的准备阶段。

“目前机器整体的综合性能达到了同类装置的国际领先水平。”中国科学院高能物理研究所研究员、HEPS项目加速器部副主任焦毅在接受采访时表示。自去年12月启动试用用户实验以来，这台“超级显微镜”已承接100余个单位、290多个课题实验，合作对象包括北京大学、清华大学、中科院物理所等科研机构，以及宁德时代、比亚迪等行业领军企业。

今年3月，装置已面向全球征集第一轮用户实验课题，标志着从建设调试向正式开放运行准备的重大转变。从建设到运行，核心挑战也从“突破极限”转向“极致稳定”。焦毅打了个比方：“建设阶段调试验收有点像跳高，跳过一次很高的高度就够了；运行阶段需要每天跳几百次，每一次都要跳过那个高度。”在高能电子束运行的过程中，科研团队借助设备每秒要进行2.2万次操控，确保轨道波动幅度小于一微米，从而稳定产出高能X光。“在试运行的几个月里，用户对出光的质量、稳定性赞不绝口，目前系统已经基本满足用户需求。但正式运行是一场长跑，需要我们练就更扎实的基本功。”

大科学装置在基础研究中扮演着不可替代的角色。怀柔科学城这座“科学之城”，将建成世界级原始创新承载区。这里布局的6个大科学装置、17个科教基础设施和14个交叉研究平台中，已有29个进入科研状态，17个设施平台面向全球开放运行。

“大科学装置本身其实也是基础研究的一部分。如果说把最前沿的科学研究看做是最亮的星星，那么大科学装置就像是托举星星的底座，有了这样一个个平台，才使得很多的前沿研究成为可能。”焦毅认为，高能同步辐射光源这样的装置不仅服务于基础科学探索，更“建立了从基础研究到实际产业应用的重要桥梁”。

从揭示合金材料在极端条件下的原子排列变化，到解析电池充放电过程中的内部结构演化，再到绘制灵长类脑器官神经连接图谱，这些原创性突破都离不开大科学装置的支撑。随着后续高能同步辐射光源的正式运行，将为更多先进材料、生命科学、航空航天等领域开启全新的研究路径。

科学家用月背“盲盒”重写月球演化史

走进中国科学院地质与地球物理研究所的电子探针与扫描电镜实验室，科研人员正聚精会神地操作着扫描电镜，分析嫦娥六号带回的月壤样本。随着扫描电镜运作，月壤的组成与结构清晰地呈现在显示器上，还能根据需要局部放大。

“别看显示屏中的结构这么清晰，这些颗粒的实际直径仅有一两百微米，大约相当于三四根头发丝的粗细。”实验室主任陈意研究员介绍，“还有更多颗粒的直径不足十微米。”为了避免细小的月壤颗粒被风吹散，团队将样本制作成树脂光片——用“包埋”方式固定在树脂中，再反复抛光，直至样本裸露出来。“由于月壤硬度高于树脂，抛光过程中它会自然‘凸显’在表层，抛光过程中样本总体损耗很小。”

对月壤的研究离不开精细分工与协同攻关。陈意说：“目前我们所研究嫦娥六号样品的实验室就有十几个。扫描电镜实验室主要负责物质成分分析和形貌分析，还有专门进行地球化学、年代学、磁学、力学分析的实验室等。”正是这种多技术手段的协同作战，让月背“盲盒”中的科学密码得以逐步破解。

今年3月，“嫦娥六号样品首次揭示月背演化历史和巨型撞击效应”入选2025年度“中国科学十大进展”。陈意介绍，该项进展取得了三个首创性发现：一是确立了月球早期大型撞击历史，限定月球最古老、最大的撞击盆地南极-艾特肯盆地形成于约42.5亿年前，以及阿波罗盆地形成于约41.6亿年前；二是揭示了月幔化学成分与水含量差异——月球背面的月幔相比正面更为“干燥”，水含量更低，并且锶、钕同位素更为亏损，推测是南极-艾特肯大撞击直接改造了其深部月幔性质；三是首次获得月球背面古磁场信息，对28亿年前的玄武岩样品分析显示，月球磁场强度在此时期曾发生反弹，而非此前认为的单调衰减，为月球演化研究提出了全新科学问题。

过去半个多世纪，人类构建的月球形成演化模型，都严重依赖于月球正面的样品数据。嫦娥六号带回的月球背面样品，首次为人类补齐了月球拼图的另一半。这一系列成果具有重要里程碑意义，它不仅首次揭示了月球背面的演化历史，阐明了巨型撞击对月球深部化学性质的影响，还用坚实的证据拓展了月球“二分性”的空间尺度，挑战了月球磁场“单调衰减”的传统认知。这在行星科学史上具有开创纪元的意义，标志着我国在月球科学研究领域已从“跟跑”迈向了部分“领跑”。

目前，关于嫦娥六号样品的相关研究尚处于起步阶段，月球的故事远未画上句号。撞击出的月球深部物质还有哪些尚未被识别？南极-艾特肯大撞击重塑了怎样的壳幔结构？它是不是造成月球二分性的“元凶”？月球28亿年前古磁场强度突然反弹的根本原因是什么？“月背研究才刚刚翻开第一页，”陈意说，“随着我国深空探测步伐的不断迈进，未来还有火星和更辽阔的星辰大海，等待着我们去发掘。”

“无液氦”技术改写全球低温扫描探针显微镜格局

“液氦一天消耗10升，光运行成本就两三千元钱，实验还动不动要中断。”站在怀柔科学城中科艾科米（北京）科技有限公司的车间里，公司创始人、中国科学院物理研究所研究员、原子制造与真空高端装备北京重点实验室主任郇庆回忆起几年前依赖进口设备的窘境。更令他无奈的是，国外厂商不仅随意涨价，供货量也不稳定，“货期说拖一年就拖一年，你还没有任何办法”。这种“卡脖子”的痛，催生了一项世界领先的原创突破。

传统的低温扫描探针显微镜，必须靠液氦维持4K（4K=-269.15℃）以下的低温。而中国95%以上的氦资源依赖进口，液氦价格高昂且供应不稳，二、三线城市的科研人员甚至“买不到液氦”。国际上有团队尝试打造无液氦的扫描探针显微镜（SPM）系统，但大多采用“近端制冷”——把制冷机直接装在设备上。“制冷机的振动是微米级，而我们的显微镜要求皮米级，差了100万倍。”郇庆说，“国外的无液氦SPM 产品只能降温到6K，温度偏高，噪音也大。”

为此，郇庆团队提出了一条全新路径：“远端液化”方案。他们把制冷机装到独立的腔体里，将氦气液化后通过柔性输液管送到SPM 腔，降温后再循环回来。“原理说起来简单，但里面技术细节非常多。”郇庆解释，当温度降到2K以下时，氦会进入“超流”状态——流阻为零，流动不产生任何摩擦力，“噪音进一步减小”。最终，他们实现了只用10到15升氦气，就能维持3K以下低温数个月甚至半年以上。

“我们的产品比国外同类型设备的温度更低、噪音水平更好。”郇庆说。真正让团队“一战成名”的，是中国科学技术大学的案例。“当时中科大团队采购进口设备受到限制，开会碰到他们时很着急，就决定试用我们的系统。”结果，团队采用中科艾科米的闭循环无液氦SPM 系统采到了三个分子内部的拉曼信号，并观察到分子骨架，相关成果已发表在国产高端仪器刊物上。此后，该团队连续订购了多套系统，还合作开发第二代、第三代产品。

不过在2018年公司注册初期，也曾面临着产品推广的难题。正是怀柔科学城和北京市的支持，帮企业迈过了最难的坎。北京市科委的一笔300万元项目资金，成为“救命钱”；怀柔区在人才落户、场地保障上给予特殊支持，让这支拥有德国、美国名校博士的团队落了脚。

如今，他所创办的企业已成为国内高端科学仪器领域的“隐形冠军”，自成立以来，公司已研发50余款产品，在国内120余家科研院所得到推广和应用，部分产品更远销美国、韩国、新加坡等国家。

“高端仪器的研发本身也是基础研究的一部分，”郇庆表示，“两者紧密相连，相互成就。高端仪器的原理多基于基础物理发现，而新仪器又催生新发现——扫描隧道显微镜推动了纳米科技，冷冻电镜推动了生物学研究。”在怀柔科学城这片热土上，依托大科学装置的集聚优势，高端科学仪器的自主创新正为科技自立自强注入强劲动力。

供图/受访者

文/北京青年报记者 李晓萌
编辑/胡克青