比太阳还亮一万亿倍，我国“高能同步辐射光源”是如何做到的？

各位好，我是中国科学院高能物理所的研究员李明，从事“高能同步辐射光源”光束线站方面的相关工作。

高能同步辐射光源（High Energy Photon Source，简称HEPS）是我国自主设计建设、世界上亮度最高的第四代同步辐射光源之一。用最亮的光看微观的世界，被誉为探索微观世界的“超级显微镜”。

我们这座大科学装置坐落在北京怀柔科学城，于2019年6月正式启动建设，由中国科学院高能物理研究所承担建设，其建筑外观形如一个巨大的放大镜，寓意着它强大的微观探测能力。

HEPS能够产生比太阳亮度高一万亿倍的X射线，其卓越性能源于第四代同步辐射光源技术的多项突破性创新。要理解这一“微观世界超级眼睛”的奥秘，我们需要从它的工作原理、亮度来源和实际应用三个层面来认识。

从电子加速到X射线产生

当电子以接近光速作弯转运动时，根据电动力学的李纳-维谢延迟势原理，会沿其轨道切线方向发射波长极度压缩的宽谱的电磁波，这就像雨天我们转动雨伞时所看到的情景类似。因为这种电磁波是在同步加速器上被首次观测到的，因此命名为同步辐射。用于产生和利用同步辐射的科学装置便是同步辐射光源。

同步辐射光源所产生的同步辐射光具有宽波段、高准直、高偏振、高亮度、高稳定性、可供多用户同时使用等优异性能。发展至今，全世界有超过50台同步辐射光源同时运行，已然成为物理、化学、材料、能源、环境、生物医药、高新技术等诸多科学前沿研究和技术创新研发的重要工具。

到目前为止，同步辐射光源经历了四代发展：第一代是寄生在高能物理实验加速器上的兼用装置，如北京同步辐射装置(BSRF)；第二代的加速器则是为同步辐射专门建立，如合肥同步辐射光源(HLS)；第三代广泛使用插入件并降低发射度来产生性能更高的同步辐射光，是目前世界上在运行的主流同步辐射光源，如上海光源(SSRF）；第四代采用特殊设计的磁结构实现接近衍射极限的超低发射度，采用超精密光学实现亚波长水平的光学调控，使同步辐射的亮度和横向相干性都有了质的飞跃，我们的高能同步辐射光源(HEPS）就是这种。

HEPS整个系统的工作原理可以类比为一个超级精密的“光线工厂”。首先通过直线加速器将电子加速到0.5吉电子伏的能量，然后通过增强器进一步将能量提升至6吉电子伏，这些高能电子最终被注入到储存环中，以接近光速的速度持续跑圈，发射同步辐射光，为光束线站提供光源。

每一条光束线站就是一台大型的X射线光学“显微镜”，从光源发出的同步辐射光在光束线中被各种超精密光学元件进行不同程度的准直、单色、聚焦、色散、偏振等光学调制后引导至实验站。实验站有种类繁多的样品控制设备、样品环境、光学谱仪或光电子谱仪以及各种类型的探测器，科研人员在这里利用同步辐射来研究各种样品的微观结构及其演化。

拓展人类极限的技术革新

同步辐射光源的亮度之所以能够达到如此惊人的程度，核心源自在电子和光子的调控上所发展的拓展人类极限的技术革新。

一方面，加速器能够产生并维持品质极高的电子束。简单来说，亮度取决于电子束的集中程度和稳定性——电子运动轨迹越接近理想的直线，发出的光就越集中、越亮。

HEPS通过几个关键技术创新实现了这一目标。周长1360米的电子储存环，采用了创新的“纵向梯度、反向弯转二极磁铁相结合的紧凑型混合多弯铁消色散结构”。这种设计如同为电子束流精心设计了一条极为精确的“跑道”，通过增加弯转磁铁数量并优化布局，将电子束的自然发射度降低到约60皮米·弧度以内。这意味着电子束在运动过程中的发散程度被控制在最小几微米的范围内。

同时，HEPS还集成了多项自主攻关的关键技术。创新回注型方案，提升储存环电子数量；小孔径磁铁技术将磁铁孔径缩小到25毫米左右，使得磁场梯度达到第三代光源的4倍，从而实现对电子束的更精准控制。特殊的真空室内壁镀膜技术解决了狭小空间内的真空维持难题。自主研发的插入件技术，能够迫使电子束进行更剧烈的偏转运动，从而产生更强、更集中的X射线。这些技术共同作用，使得HEPS能够稳定产生高品质的X射线。

另一方面，光束线能够对光源发出的光束以逼近物理极限的精密程度进行“手术”和“调制”，获得用户需要的高品质光束。

HEPS的每条光束线站都是超精密的光学仪器。为了对同步辐射波前进行远小于X射线波长精度的调制，团队创新研发了国际领先水平的光学设备和器件，包括50 皮米精度的光学面形仪、1.9皮米波前精度全束径单色晶体和7纳弧度稳定性的水平液氮双晶单色器等等。一批世界最高精度的光学设备对同步辐射光束进行“手术”和“调制”，可使其单色性提升十万倍，光线密度提升十亿倍，最终形成实验所需的高亮度、高相干的光束。

最后，在实验站上，利用自主研制的多种谱仪、探测器和软件系统，使实验用户以极高的空间分辨率（纳米级）、能量分辨率（毫电子伏级）和时间分辨率（皮秒级）开展样品观测。

利用X射线与物质复杂的相互作用机理，光束线站有很多种巧妙的观测样品的方法，可以获得不同空间时间尺度上的各类样品信息。

相应的每一条光束线站都有独特的设计，比如，HEPS原创提出并研制成功世界首台“芒果”型扭摆器，具有更大的光束张角、更小的光源尺寸和更长的相干尺寸，从而在硬X射线成像束线上实现了国际上视场面积最大、高相干的同步辐射成像光束；HEPS还创新设计建设了国际上第一条波荡器红移光束线，实验的光强和数值孔径都得到了提升，为全场显微成像带来了更高的时空分辨能力。

除了直接的光学成像，还有些光束线站可以通过检测X射线局部或全局相干引起的散射或衍射信号来反映纳米直至分子、原子水平的微观结构，它的巧妙原理就和有经验的摄影师通过星状光芒判断镜头状态和光圈结构是一样的。

还有些光束线站通过利用不同能量的X射线光子“敲打”原子中的核外电子来判断它与原子核以及周围原子间的结合状态，还可以“敲打”原子核来检测晶格中传播的声子和电荷密度波，就像我们用不同软硬度的手掌心或指关节，敲打西瓜听声音判断其成熟程度和新鲜程度一样，这类奇妙的实验方法我们称之为谱学。

捕捉极端光线的“超级相机”

要充分利用HEPS产生的极高亮度X射线，需要专门的探测设备。传统的X射线探测采用间接方式，就像胸透设备先将X光转换为可见光再成像，这会损失信息精度。

直接探测技术让X射线直接转换为电信号，避免了信息损失。科研团队经过十年攻关，自主研发了包括传感器、专用集成电路芯片和先进封装技术在内的完整直接探测器系统。这些探测器能够捕捉亮度动态范围超过100万倍的图像，并以每秒1000帧以上的速度记录快速变化的过程，为动态研究提供了可能。

推动多学科前沿研究的强大平台

HEPS作为综合性研究平台，其应用范围涵盖基础科学和产业创新的多个关键领域。

在材料科学方面，HEPS能够观测航空发动机叶片在高温下的微观结构变化、金属3D打印过程中缺陷的形成机制，以及芯片的纳米级结构特征。这些研究对提升材料性能、改进制造工艺具有重要意义。例如，通过观察高温合金单晶生长过程，可以帮助研发更耐高温的航空材料。

在生命科学领域，HEPS先进的成像能力还可以用于灵长类动物脑部神经网络的精细三维成像，推动脑科学研究的发展。其高亮度X射线使得科学家能够解析复杂的生物大分子结构，包括病毒蛋白、药物靶点等，为新药研发提供关键信息。

在能源环境方面，HEPS可以研究催化反应过程中催化中心的动态变化，帮助设计更高效的环境催化剂和能源转换材料。通过观察电池充放电过程中电极材料的微观变化，为开发高性能电池提供指导。

通过持续的原始创新和关键核心技术突破，这座“大国重器”即将成为探索物质微观结构、推动多学科交叉创新的强大平台。

预计从2026年起，HEPS将正式向科研用户开放，首批建设14条公共光束线站，覆盖从工程材料到生物医学的众多研究领域。不仅将会有力地促发多个基础科学领域取得突破，还将强劲驱动芯片制造、新药研发、能源化工、航空航天等多个产业技术创新，成为推动科技创新与产业创新深度融合的强大引擎。

HEPS的建设标志着中国在同步辐射光源领域进入了世界前列。随着未来更多光束线站的建成和开放，HEPS一定会成为综合性的国际科学研究和技术创新中心。

21世纪以来，科学研究范式正从“小作坊”模式迈向“大科学”工程。在此浪潮中，中国一批科研重器蓬勃涌现：“中国天眼”聆听深空电磁波，“阿里计划”致力捕捉原初引力波，“高海拔宇宙线观测站”探测超高能粒子，“人造太阳”攻关聚变能源，“高能同步辐射光源”解析微观结构等等。这些大科学装置合力拓展人类认知边界。腾讯新闻推出《20问中国20大科学重器》大型特别策划，邀请20位科学家，给出从宇宙起源到未来能源的权威解读。

本文转载自《腾讯太空》微信公众号

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