比太陽還亮一萬億倍，我國“高能同步輻射光源”是如何做到的？

各位好，我是中國科學院高能物理所的研究員李明，從事“高能同步輻射光源”光束線站方面的相關工作。

高能同步輻射光源（High Energy Photon Source，簡稱HEPS）是我國自主設計建設、世界上亮度最高的第四代同步輻射光源之一。用最亮的光看微觀的世界，被譽為探索微觀世界的“超級顯微鏡”。

我們這座大科學裝置坐落在北京懷柔科學城，于2019年6月正式啟動建設，由中國科學院高能物理研究所承擔建設，其建筑外觀形如一個巨大的放大鏡，寓意著它強大的微觀探測能力。

HEPS能夠產生比太陽亮度高一萬億倍的X射線，其卓越性能源于第四代同步輻射光源技術的多項突破性創新。要理解這一“微觀世界超級眼睛”的奧秘，我們需要從它的工作原理、亮度來源和實際應用三個層面來認識。

從電子加速到X射線產生

當電子以接近光速作彎轉運動時，根據電動力學的李納-維謝延遲勢原理，會沿其軌道切線方向發射波長極度壓縮的寬譜的電磁波，這就像雨天我們轉動雨傘時所看到的情景類似。因為這種電磁波是在同步加速器上被首次觀測到的，因此命名為同步輻射。用于產生和利用同步輻射的科學裝置便是同步輻射光源。

同步輻射光源所產生的同步輻射光具有寬波段、高準直、高偏振、高亮度、高穩定性、可供多用戶同時使用等優異性能。發展至今，全世界有超過50臺同步輻射光源同時運行，已然成為物理、化學、材料、能源、環境、生物醫藥、高新技術等諸多科學前沿研究和技術創新研發的重要工具。

到目前為止，同步輻射光源經歷了四代發展：第一代是寄生在高能物理實驗加速器上的兼用裝置，如北京同步輻射裝置(BSRF)；第二代的加速器則是為同步輻射專門建立，如合肥同步輻射光源(HLS)；第三代廣泛使用插入件并降低發射度來產生性能更高的同步輻射光，是目前世界上在運行的主流同步輻射光源，如上海光源(SSRF）；第四代采用特殊設計的磁結構實現接近衍射極限的超低發射度，采用超精密光學實現亞波長水平的光學調控，使同步輻射的亮度和橫向相干性都有了質的飛躍，我們的高能同步輻射光源(HEPS）就是這種。

HEPS整個系統的工作原理可以類比為一個超級精密的“光線工廠”。首先通過直線加速器將電子加速到0.5吉電子伏的能量，然后通過增強器進一步將能量提升至6吉電子伏，這些高能電子最終被注入到儲存環中，以接近光速的速度持續跑圈，發射同步輻射光，為光束線站提供光源。

每一條光束線站就是一臺大型的X射線光學“顯微鏡”，從光源發出的同步輻射光在光束線中被各種超精密光學元件進行不同程度的準直、單色、聚焦、色散、偏振等光學調制后引導至實驗站。實驗站有種類繁多的樣品控制設備、樣品環境、光學譜儀或光電子譜儀以及各種類型的探測器，科研人員在這里利用同步輻射來研究各種樣品的微觀結構及其演化。

拓展人類極限的技術革新

同步輻射光源的亮度之所以能夠達到如此驚人的程度，核心源自在電子和光子的調控上所發展的拓展人類極限的技術革新。

一方面，加速器能夠產生并維持品質極高的電子束。簡單來說，亮度取決于電子束的集中程度和穩定性——電子運動軌跡越接近理想的直線，發出的光就越集中、越亮。

HEPS通過幾個關鍵技術創新實現了這一目標。周長1360米的電子儲存環，采用了創新的“縱向梯度、反向彎轉二極磁鐵相結合的緊湊型混合多彎鐵消色散結構”。這種設計如同為電子束流精心設計了一條極為精確的“跑道”，通過增加彎轉磁鐵數量并優化布局，將電子束的自然發射度降低到約60皮米·弧度以內。這意味著電子束在運動過程中的發散程度被控制在最小幾微米的范圍內。

同時，HEPS還集成了多項自主攻關的關鍵技術。創新回注型方案，提升儲存環電子數量；小孔徑磁鐵技術將磁鐵孔徑縮小到25毫米左右，使得磁場梯度達到第三代光源的4倍，從而實現對電子束的更精準控制。特殊的真空室內壁鍍膜技術解決了狹小空間內的真空維持難題。自主研發的插入件技術，能夠迫使電子束進行更劇烈的偏轉運動，從而產生更強、更集中的X射線。這些技術共同作用，使得HEPS能夠穩定產生高品質的X射線。

另一方面，光束線能夠對光源發出的光束以逼近物理極限的精密程度進行“手術”和“調制”，獲得用戶需要的高品質光束。

HEPS的每條光束線站都是超精密的光學儀器。為了對同步輻射波前進行遠小于X射線波長精度的調制，團隊創新研發了國際領先水平的光學設備和器件，包括50 皮米精度的光學面形儀、1.9皮米波前精度全束徑單色晶體和7納弧度穩定性的水平液氮雙晶單色器等等。一批世界最高精度的光學設備對同步輻射光束進行“手術”和“調制”，可使其單色性提升十萬倍，光線密度提升十億倍，最終形成實驗所需的高亮度、高相干的光束。

最后，在實驗站上，利用自主研制的多種譜儀、探測器和軟件系統，使實驗用戶以極高的空間分辨率（納米級）、能量分辨率（毫電子伏級）和時間分辨率（皮秒級）開展樣品觀測。

利用X射線與物質復雜的相互作用機理，光束線站有很多種巧妙的觀測樣品的方法，可以獲得不同空間時間尺度上的各類樣品信息。

相應的每一條光束線站都有獨特的設計，比如，HEPS原創提出并研制成功世界首臺“芒果”型扭擺器，具有更大的光束張角、更小的光源尺寸和更長的相干尺寸，從而在硬X射線成像束線上實現了國際上視場面積最大、高相干的同步輻射成像光束；HEPS還創新設計建設了國際上第一條波蕩器紅移光束線，實驗的光強和數值孔徑都得到了提升，為全場顯微成像帶來了更高的時空分辨能力。

除了直接的光學成像，還有些光束線站可以通過檢測X射線局部或全局相干引起的散射或衍射信號來反映納米直至分子、原子水平的微觀結構，它的巧妙原理就和有經驗的攝影師通過星狀光芒判斷鏡頭狀態和光圈結構是一樣的。

還有些光束線站通過利用不同能量的X射線光子“敲打”原子中的核外電子來判斷它與原子核以及周圍原子間的結合狀態，還可以“敲打”原子核來檢測晶格中傳播的聲子和電荷密度波，就像我們用不同軟硬度的手掌心或指關節，敲打西瓜聽聲音判斷其成熟程度和新鮮程度一樣，這類奇妙的實驗方法我們稱之為譜學。

捕捉極端光線的“超級相機”

要充分利用HEPS產生的極高亮度X射線，需要專門的探測設備。傳統的X射線探測采用間接方式，就像胸透設備先將X光轉換為可見光再成像，這會損失信息精度。

直接探測技術讓X射線直接轉換為電信號，避免了信息損失。科研團隊經過十年攻關，自主研發了包括傳感器、專用集成電路芯片和先進封裝技術在內的完整直接探測器系統。這些探測器能夠捕捉亮度動態范圍超過100萬倍的圖像，并以每秒1000幀以上的速度記錄快速變化的過程，為動態研究提供了可能。

推動多學科前沿研究的強大平臺

HEPS作為綜合性研究平臺，其應用范圍涵蓋基礎科學和產業創新的多個關鍵領域。

在材料科學方面，HEPS能夠觀測航空發動機葉片在高溫下的微觀結構變化、金屬3D打印過程中缺陷的形成機制，以及芯片的納米級結構特征。這些研究對提升材料性能、改進制造工藝具有重要意義。例如，通過觀察高溫合金單晶生長過程，可以幫助研發更耐高溫的航空材料。

在生命科學領域，HEPS先進的成像能力還可以用于靈長類動物腦部神經網絡的精細三維成像，推動腦科學研究的發展。其高亮度X射線使得科學家能夠解析復雜的生物大分子結構，包括病毒蛋白、藥物靶點等，為新藥研發提供關鍵信息。

在能源環境方面，HEPS可以研究催化反應過程中催化中心的動態變化，幫助設計更高效的環境催化劑和能源轉換材料。通過觀察電池充放電過程中電極材料的微觀變化，為開發高性能電池提供指導。

通過持續的原始創新和關鍵核心技術突破，這座“大國重器”即將成為探索物質微觀結構、推動多學科交叉創新的強大平臺。

預計從2026年起，HEPS將正式向科研用戶開放，首批建設14條公共光束線站，覆蓋從工程材料到生物醫學的眾多研究領域。不僅將會有力地促發多個基礎科學領域取得突破，還將強勁驅動芯片制造、新藥研發、能源化工、航空航天等多個產業技術創新，成為推動科技創新與產業創新深度融合的強大引擎。

HEPS的建設標志著中國在同步輻射光源領域進入了世界前列。隨著未來更多光束線站的建成和開放，HEPS一定會成為綜合性的國際科學研究和技術創新中心。

21世紀以來，科學研究范式正從“小作坊”模式邁向“大科學”工程。在此浪潮中，中國一批科研重器蓬勃涌現：“中國天眼”聆聽深空電磁波，“阿里計劃”致力捕捉原初引力波，“高海拔宇宙線觀測站”探測超高能粒子，“人造太陽”攻關聚變能源，“高能同步輻射光源”解析微觀結構等等。這些大科學裝置合力拓展人類認知邊界。騰訊新聞推出《20問中國20大科學重器》大型特別策劃，邀請20位科學家，給出從宇宙起源到未來能源的權威解讀。

本文轉載自《騰訊太空》微信公眾號

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