随着科学技术的发展，人类对微观世界的探索已经达到了惊人的深度。20世纪，人类学会了利用X射线，从此得以窥探观测物质内部世界。但好奇心从不止步，人类还想要进一步探秘微观世界，了解更多奇妙现象背后的机理，这就需要更高要求的光源进行支撑。X 射线自由电子激光（XFEL）是目前世界上最为先进的 X 射线光源，它同时具备极高的峰值和平均亮度、超短脉冲和高度相干的特性，因此也就成为研究微观世界强有力的工具。
目前世界上已经建成一批X射线自由电子激光装置 FLASH (德国汉堡)、LCLS（美国）、SACLA（日本）、PAL-XFEL（韩国）等。随着技术的发展，科学家将目光投向了基于低温超导技术的高重复频率硬X射线自由电子激光装置。这样的先进装置科学意义重大，例如，在生物学领域，它可以帮助研究病毒和蛋白质的结构，从而更好地理解生命过程；在能源领域，它可以帮助研究太阳能电池的微观结构和光电转换效率，从而优化太阳能技术。此外，硬X射线自由电子激光装置还可以应用于材料科学、化学等领域的研究。世界主要先进国家都争相建设各自的硬 X 射线自由电子激光装置，以掌握新历史时期的科技发展主动权。这其中又以基于超导高频技术的高重复频率 X 射线自由电子激光最为先进，其平均亮度比常温脉冲型 XFEL 高 3-4 个数量级，属于目前世界上最顶尖的大科学装置。
由于高重复频率自由电子激光装置投资巨大，其设计及建设难度也令感兴趣的科学家望而却步。比如全球最大的European-XFEL总长达到了惊人的3.4公里。随着我国经济的发展和综合国力的提升，科学家也有机会着手此类装置的研究和建设。.坐落于上海浦东新区的上海硬X射线自由电子光装置(Shanghai HIgh repetitioN rate XFEL and Extreme light facility, SHINE)就是其中最有代表性的工程。SHINE是我国迄今为止投资最大的重大科技基础设施项目，投资总额超过100亿。这个总长3.1公里的装置，位于地下约30米的笔直隧道内，是名副其实的超级工程。SHINE建成之后能够将电子束团能量提高到 8GeV，将是世界上仅有的三台高重复频率硬 X射线自由电子激光装置之一。
为了产生足够能量的光子，硬X射线自由电子激光装置需要对自由电子进行加速。SHINE装置将由一台 8GeV 基于超导高频技术的直线加速器驱动。如图 2所示，该超导直线加速器长约1300m，其超导腔计划采用2K超流氦浸泡式冷却的方式，工作于约-271℃的极低温度下。
为了产生足够能量的光子，硬X射线自由电子激光装置需要对自由电子进行加速。SHINE装置将由一台 8GeV 基于超导高频技术的直线加速器驱动。如图 2所示，该超导直线加速器长约1300m，其超导腔计划采用2K超流氦浸泡式冷却的方式，工作于约-271℃的极低温度下。
超导与低温有密切的关系。为了保证超导加速器工作于合适的工况下，需要使用低温系统提供足够的制冷量支撑，将加速器冷却至非常低的温度。在SHINE，超导加速器将工作于2K的温度下，即零下271摄氏度。这与热力学意思上的宇宙最低温度--绝对零度仅有2度的差距。不仅如此，SHINE采用的超导直线加速器超过1000m长，需要提供万瓦级制冷量才能使加速器整体顺利运行。要保证如此巨大的设备工作于如此的温度下，对于科学家和工程师而言是一个巨大的挑战，今天我们从SHINE低温系统出发来一探这一“超级工程”。
为了维持SHINE装置的运行，需要在直线超导加速器两端建设两座低温工厂为加速器提供足够的制冷量。如图 4所示，是SHINE装置整体鸟瞰图，直线加速器部分位于装置起始部分，总长约1.3km。为了提供足够的制冷量，在直线加速器两端布置有两座超流氦低温工厂，如图 4所示，分别为1#低温工厂与2#低温工厂，分别给对应的加速器段提供设备降温、回温及不同工况下运行的需求。
为了提供足够低的工作环境，低温工厂采用氦这一特殊的气体作为冷却介质。这是由氦气本身特殊的物性决定的，在超导加速器所需的温度下，所有其他的类型的工质都变为固态，唯有氦能够保持一定流动特性。不仅如此，在此温度下（即约2K）液氦转变为超流氦，这种液体是一种非常理想的冷却介质。超流氦具有超流动性，可以无阻力的流经狭小空间。同时超流氦具有非常好的传热特性，其热导率约为铜（一种导热能力非常出众的金属材料）的800倍。这种优异的流动性与导热能力让氦成为一种近乎完美的冷却介质。这也是为什么在SHINE低温工厂，科学家利用氦作为整个低温系统主要的循环介质。
SHINE硬线装置规模巨大的低温系统由多个复杂的子系统构成，包括氦低温系统、传输分配系统、液氮及真空系统、纯化及回收系统及测量与控制系统等。在低温工厂内，制冷机系统产生低温介质，低温介质通过低温管输送至位于地下层的分配阀箱。低温流体进入经过分配阀箱进入加速器段进行工艺冷却。位于地面层的液氮与真空系统、氦气储存与纯化回收系统储气设备分别与制冷机、管线与阀箱等设备连接，用于维持低温系统正常运行。而如此复杂的系统与众多的设备在测量与控制系统的监测与控制下得以有序运行。
低温系统庞大而复杂，而它却只是SHINE装置的一个缩影，整个装置还有数十个这样庞大的系统，依靠着这样复杂系统的互相协作与支撑，SHINE才能发出那道“耀眼”的光。
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