高能同步辐射光源“照亮”纳米级微观世界

国家重大科技基础设施高能同步辐射光源

从怀柔科学城高空俯瞰，一座形状很像手持放大镜的建筑格外显眼，它就是国家重大科技基础设施高能同步辐射光源（HEPS）。

高能同步辐射光源到底是什么？有什么作用？6月18日，北京青年报记者跟随“活力中国调研行”主题采访活动前往这一“大国重器”所在地进行了探访。

大国重器形似“放大镜”

怀柔科学城位于雁栖湖畔。北青报记者注意到，在高能同步辐射光源园区内有三栋主体建筑，未来感十足。从沙盘上可以直观地看到，建筑整体外形酷似一个放大镜，“手柄”位置是综合实验楼和用户服务楼，“镜框”位置则是光源装置区域。

据中国科学院高能物理研究所研究员、高能同步辐射光源工程总指挥潘卫民介绍，建筑占地976亩，相当于90个足球场大小。放大镜的“镜框”是一个环形建筑，周长1300多米，如果沿着外环道路步行需要二三十分钟，“工作人员为了提高工作效率，在光源装置实验大厅里有时会骑自行车代步。”

据了解，高能同步辐射光源是我国“十三五”期间优先建设的国家重大科技基础设施。设施建成后可更好地满足航空航天、能源环境、生物医药等前沿科学和工程应用等领域的研究需求，成为国际领先的高能同步辐射光源实验平台。

成功发出“第一束光”

据介绍，高能同步辐射光源项目于2019年6月启动建设，建设周期6年半。建成后，它将成为世界上设计亮度最高的第四代同步辐射光源，也是中国第一台高能同步辐射光源。

5年多来，该项目不断取得阶段性成果。2021年6月28日，第一台科研设备安装；2023年3月14日，直线加速器满能量出束；2024年7月1日，储存环全环贯通进入联调阶段。截至目前，加速器和第一批光束线站的建设已完成。

2024年10月12日成功发出“第一束光”。当晚，高能同步辐射光源常务副总指挥董宇辉带领团队将一张橙色胶片挂在出光口，他们调整好胶片位置后走出实验站，关闭防辐射门，按下按钮，打开光闸。

关闭光闸，实验站门上的指示灯由红色的“禁止进入”变成绿色的“允许进入”。团队人员再次走进实验站时，橙色胶片上出现一块边缘整齐的黑斑。这就是高能同步辐射光源发出的第一束光留下的印迹，董宇辉也在上面记录了此珍贵的时刻：“2024.10.1221：30”“曝光0.1s（秒）”。

潘卫民告诉北青报记者，由于装置发出的光不是可见光，所以人眼无法直观感受到它的存在，“同步辐射光源相当于一个巨型X光机，可以检测到航天材料在加工和服役过程中有没有裂痕，也可以看到细胞分子结构。”

未来将进入开放共享阶段

时至今日，我国的同步辐射光源已发展了近40年，从第一代的北京正负电子对撞机上兼用的北京同步辐射装置、第二代专用的合肥光源、第三代的上海光源，发展到了第四代的高能同步辐射光源。

为什么需要第四代高能同步辐射光源？潘卫民解释，每一代的亮度指标都有提升，第一代光源在2003年解析了SARS病毒的分子结构，第四代将要“照亮”的是纳米级、更加复杂的微观世界。“要看到物质里的细节，很重要的一点就是要有足够亮的光。光越亮意味着探测的信噪比越高，精度越高，探测速度也越快。第四代同步辐射光源发光的亮度，是照胸片X光机的十万亿倍。”潘卫民表示，目前研究人员已经利用高能同步辐射光源发出的“第一束光”开展了相关实验，“观察到的样品更清晰，一些航天材料的裂纹明显比用其他光源要判断得更加清楚。”

从提供X光能量的角度，同步辐射光源主要有三个能区，低能、中能和高能光源。高能同步辐射光源首期建设14条用户光束线站和1条测试线站。其中，硬X射线成像线站（HXI）是特色线站之一，可提供高空间相干的高能X射线。

据介绍，初步实验结果表明，与常规光源对比，HXI线站的光穿透更深、分辨率更高，灵敏度显著提高，可检出的裂纹显著增加，成像的对比度也大大提高。HXI线站可实现此前难以兼得的，强穿透且高灵敏度、大视场且高分辨X射线成像，将为航空航天工程材料研究、全脑介观3D成像等前沿领域提供强有力的科研支撑。

今年3月27日，高能同步辐射光源宣布启动带光联调。截至目前，已完成了4轮带光联调工作，多条光束线站开展特色样品实验，下一步将继续开展调试工作，最终实现项目验收指标，进入开放共享阶段。

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怀柔科学城打造世界级原始创新承载区

怀柔科学城是北京建设国际科技创新中心的核心支撑，是国家创新体系的重要组成。这里围绕物质、空间、生命、地球系统、信息与智能五大科学方向，布局37个重大科技基础设施（大科学装置）、科教基础设施和交叉研究平台。

“十二五”以来，综合极端条件实验装置等6个大科学装置集中在怀柔综合性国家科学中心落地。目前地球系统数值模拟装置、综合极端条件实验装置、多模态跨尺度生物医学成像设施、子午工程二期4个大科学装置已先后通过国家验收。其中，多模态跨尺度生物医学成像设施是《国家重大科技基础设施建设“十三五”规划》确定的建设项目，是我国科学家在生物医学成像领域首倡的大科学设施。该项目于2025年3月通过国家验收。

成像设施由四大核心装置和一个辅助平台构成，包括多模态医学成像装置、多模态活体细胞成像装置、多模态高分辨分子成像装置、全尺度图像整合系统以及模式动物等辅助平台和配套设施。多模态跨尺度生物医学成像设施的建设目标就是打破尺度壁垒，打造从人体到分子的“一体化”生物医学成像技术集群，可实现对人体内微观细胞的精细化“拍照”成像，帮助医生看得更清晰、更透彻，犹如有了“透视眼”。

成像设施将实行开放、流动、择优的机制，面向全国开放共享，还将与法国生物医学成像平台建立国际联盟。成像设施将为复杂生命科学问题和重大疾病的研究提供成像组学研究手段，全景式研究和解析生物医学重大科学问题，推动生物医学研究的范式变革。同时，成像设施将成为引领和带动技术和方法创新的国家基地，与高校、科研院所及生物医学影像的设备、软件企业和医院等组建产业创新联盟，打造生物医学成像技术“产学研用”的创新生态环境，为高端生物医学影像装备实现“中国创造”提供战略支撑和保障。

怀柔科学城正以世界先进水平的重大科技基础设施群为依托，将建成与国家战略需要相匹配的世界级原始创新承载区，参与全球科技创新与合作。

本组文/本报记者宋霞

统筹/余美英供图/受访者