90个足球场那么大，这一超级“放大镜”都有哪些独门绝技？

在北京怀柔科学城，有一个超级放大镜，占地面积约976亩，有90个足球场那么大，俯视看起来像一个放大镜。放大镜的“镜框”是一个环形建筑，周长1300多米。它是用来干什么的？有哪些“独门特技”？让我们一起探秘吧。

为什么要建设它？

超级放大镜的名字叫高能同步辐射光源（High Energy Photon Source，HEPS），也被称为“希望之光”。它不仅是我国，而且是全亚洲第一台第四代同步辐射光源。

HEPS航拍图

（图片来源：中国科学院高能物理研究所）

目前，共有六十多台同步辐射光源分布于世界各国，是数量最多、覆盖研究领域最广的大科学研究设施，被誉为“微观世界的放大镜”和“前沿科技的灯塔”。

中国大陆地区已经建成了北京同步辐射光源、合肥同步辐射光源和上海光源三台同步辐射光源装置。既然已经有了这么多个同步辐射光源，为什么还要建设HEPS？

这是因为我国目前已建成的同步辐射光源，主要覆盖的是中低能区，是第三代同步辐射光源，对于需要极高能量X射线才能穿透如航空发动机叶片、核反应堆材料等厚重样品，或是需要极高亮度来捕捉原子级动态过程的研究，它们的能力就显得捉襟见肘。

换句话说，中低能区的同步辐射光源像一台高灵敏度的动态摄像机，擅长捕捉表面和界面的细微变化；而高能区的同步辐射光源则更像一台穿透力极强的巨型X光机，能够深入物质内部，探测物质的微观结构。

建成后的HEPS，其储存环加速器的电子束流能量为6 GeV（十亿电子伏特），可提供能量达300 keV（千电子伏）的X 射线光子，亮度比第三代光源高出2-3个数量级，也就是百倍到千倍，具有更高的分辨率，并将跻身世界五大高能同步辐射光源之列。

HEPS到底有多“强”？

它的能量高，穿透力强。HEPS产生的X射线能量高达300千电子伏，能够轻松穿透厘米厚的金属、陶瓷、岩石等材料。这意味着它可以深入到大块如航空发动机叶片、核反应堆压力容器等工业部件内部进行无损探测，发现中低能同步辐射光源及传统检测方法无法观测的微小裂纹和内部缺陷，并精确测量它们的大小、形状和位置；还可以在接近实际工况的载荷条件下对样品进行原位相残余应力分析及结构三维成像，这无疑为航空、核能、考古等研究领域提供了独一无二的观测手段。

亮度高，看得更清。“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”，HEPS工程总指挥潘卫民研究员在介绍光源亮度的重要性时曾这样说道。

HEPS的光子亮度比太阳的亮度高1万亿倍，比普通X光机亮10万亿倍，是现有第三代同步辐射光源亮度的100-1000倍。HEPS可以为衍射实验提供微米量级的高亮度光斑，直接解析难以结晶，但具有重要生物功能的蛋白质的晶体结构，可以为谱学和成像研究提供纳米量级的聚焦光斑，直接在纳米尺度上观察物质的结构变化。

时间分辨率高，易于捕捉动态。HEPS具备皮秒级的时间分辨能力，其中1皮秒等于万亿分之一秒，可以像高速摄像机一样，捕捉到分子、原子在极短时间内发生的动态变化，实现原位观察微观世界的时空流变，为在动态、原位和极端条件下研究物质结构变化的动力学过程提供了重要的科学平台。

总结

HEPS已于今年10月29日通过工艺验收，标志着HEPS已从建设阶段转向运行阶段，即将开启服务科学研究的新篇章。它的建设，不仅是一项重大的科技工程，更是国家综合实力的体现。填补了我国在高能区同步辐射光源领域的空白，使我国在这一领域的研究水平跻身世界前列。

更重要的是，它将为我国在航空、能源、医药等关键领域的核心技术突破提供不可或缺的支撑，助力实现科技自立自强。随着HEPS的正式运行，我们有理由相信，它将催生出更多改变世界的科学发现和技术突破，为人类文明的发展贡献中国智慧。

出品：科普中国

作者：杨超（深圳理工大学科普主管、中国科普作家协会会员）

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