90個足球場那么大，這一超級“放大鏡”都有哪些獨門絕技？

在北京懷柔科學城，有一個超級放大鏡，占地面積約976畝，有90個足球場那么大，俯視看起來像一個放大鏡。放大鏡的“鏡框”是一個環(huán)形建筑，周長1300多米。它是用來干什么的？有哪些“獨門特技”？讓我們一起探秘吧。

為什么要建設(shè)它？

超級放大鏡的名字叫高能同步輻射光源（High Energy Photon Source，HEPS），也被稱為“希望之光”。它不僅是我國，而且是全亞洲第一臺第四代同步輻射光源。

HEPS航拍圖

（圖片來源：中國科學院高能物理研究所）

目前，共有六十多臺同步輻射光源分布于世界各國，是數(shù)量最多、覆蓋研究領(lǐng)域最廣的大科學研究設(shè)施，被譽為“微觀世界的放大鏡”和“前沿科技的燈塔”。

中國大陸地區(qū)已經(jīng)建成了北京同步輻射光源、合肥同步輻射光源和上海光源三臺同步輻射光源裝置。既然已經(jīng)有了這么多個同步輻射光源，為什么還要建設(shè)HEPS？

這是因為我國目前已建成的同步輻射光源，主要覆蓋的是中低能區(qū)，是第三代同步輻射光源，對于需要極高能量X射線才能穿透如航空發(fā)動機葉片、核反應堆材料等厚重樣品，或是需要極高亮度來捕捉原子級動態(tài)過程的研究，它們的能力就顯得捉襟見肘。

換句話說，中低能區(qū)的同步輻射光源像一臺高靈敏度的動態(tài)攝像機，擅長捕捉表面和界面的細微變化；而高能區(qū)的同步輻射光源則更像一臺穿透力極強的巨型X光機，能夠深入物質(zhì)內(nèi)部，探測物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)。

建成后的HEPS，其儲存環(huán)加速器的電子束流能量為6 GeV（十億電子伏特），可提供能量達300 keV（千電子伏）的X 射線光子，亮度比第三代光源高出2-3個數(shù)量級，也就是百倍到千倍，具有更高的分辨率，并將躋身世界五大高能同步輻射光源之列。

HEPS到底有多“強”？

它的能量高，穿透力強。HEPS產(chǎn)生的X射線能量高達300千電子伏，能夠輕松穿透厘米厚的金屬、陶瓷、巖石等材料。這意味著它可以深入到大塊如航空發(fā)動機葉片、核反應堆壓力容器等工業(yè)部件內(nèi)部進行無損探測，發(fā)現(xiàn)中低能同步輻射光源及傳統(tǒng)檢測方法無法觀測的微小裂紋和內(nèi)部缺陷，并精確測量它們的大小、形狀和位置；還可以在接近實際工況的載荷條件下對樣品進行原位相殘余應力分析及結(jié)構(gòu)三維成像，這無疑為航空、核能、考古等研究領(lǐng)域提供了獨一無二的觀測手段。

亮度高，看得更清。“要看到物質(zhì)里的細節(jié)，很重要的一點就是要有足夠亮的光。光越亮意味著探測的信噪比越高，精度越高，探測速度也越快”，HEPS工程總指揮潘衛(wèi)民研究員在介紹光源亮度的重要性時曾這樣說道。

HEPS的光子亮度比太陽的亮度高1萬億倍，比普通X光機亮10萬億倍，是現(xiàn)有第三代同步輻射光源亮度的100-1000倍。HEPS可以為衍射實驗提供微米量級的高亮度光斑，直接解析難以結(jié)晶，但具有重要生物功能的蛋白質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)，可以為譜學和成像研究提供納米量級的聚焦光斑，直接在納米尺度上觀察物質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化。

時間分辨率高，易于捕捉動態(tài)。HEPS具備皮秒級的時間分辨能力，其中1皮秒等于萬億分之一秒，可以像高速攝像機一樣，捕捉到分子、原子在極短時間內(nèi)發(fā)生的動態(tài)變化，實現(xiàn)原位觀察微觀世界的時空流變，為在動態(tài)、原位和極端條件下研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的動力學過程提供了重要的科學平臺。

總結(jié)

HEPS已于今年10月29日通過工藝驗收，標志著HEPS已從建設(shè)階段轉(zhuǎn)向運行階段，即將開啟服務科學研究的新篇章。它的建設(shè)，不僅是一項重大的科技工程，更是國家綜合實力的體現(xiàn)。填補了我國在高能區(qū)同步輻射光源領(lǐng)域的空白，使我國在這一領(lǐng)域的研究水平躋身世界前列。

更重要的是，它將為我國在航空、能源、醫(yī)藥等關(guān)鍵領(lǐng)域的核心技術(shù)突破提供不可或缺的支撐，助力實現(xiàn)科技自立自強。隨著HEPS的正式運行，我們有理由相信，它將催生出更多改變世界的科學發(fā)現(xiàn)和技術(shù)突破，為人類文明的發(fā)展貢獻中國智慧。

出品：科普中國

作者：楊超（深圳理工大學科普主管、中國科普作家協(xié)會會員）

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