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(xué)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(guān)工作。

高能同步輻射光源（High Energy Photon Source，簡稱HEPS）是我國自主設(shè)計建設(shè)、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(xué)裝置坐落在北京懷柔科學(xué)城，于2019年6月正式啟動建設(shè)，由中國科學(xué)院高能物理研究所承擔(dān)建設(shè)，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(chǎn)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(shù)的多項突破性創(chuàng)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(yīng)用三個層面來認識。

從電子加速到X射線產(chǎn)生

當(dāng)電子以接近光速作彎轉(zhuǎn)運動時，根據(jù)電動力學(xué)的李納-維謝延遲勢原理，會沿其軌道切線方向發(fā)射波長極度壓縮的寬譜的電磁波，這就像雨天我們轉(zhuǎn)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(chǎn)生和利用同步輻射的科學(xué)裝置便是同步輻射光源。

同步輻射光源所產(chǎn)生的同步輻射光具有寬波段、高準直、高偏振、高亮度、高穩(wěn)定性、可供多用戶同時使用等優(yōu)異性能。發(fā)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(xué)、材料、能源、環(huán)境、生物醫(yī)藥、高新技術(shù)等諸多科學(xué)前沿研究和技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)的重要工具。

到目前為止，同步輻射光源經(jīng)歷了四代發(fā)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(fā)射度來產(chǎn)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(shè)計的磁結(jié)構(gòu)實現(xiàn)接近衍射極限的超低發(fā)射度，采用超精密光學(xué)實現(xiàn)亞波長水平的光學(xué)調(diào)控，使同步輻射的亮度和橫向相干性都有了質(zhì)的飛躍，我們的高能同步輻射光源(HEPS）就是這種。

HEPS整個系統(tǒng)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(huán)中，以接近光速的速度持續(xù)跑圈，發(fā)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(xué)“顯微鏡”，從光源發(fā)出的同步輻射光在光束線中被各種超精密光學(xué)元件進行不同程度的準直、單色、聚焦、色散、偏振等光學(xué)調(diào)制后引導(dǎo)至實驗站。實驗站有種類繁多的樣品控制設(shè)備、樣品環(huán)境、光學(xué)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(jié)構(gòu)及其演化。

拓展人類極限的技術(shù)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(diào)控上所發(fā)展的拓展人類極限的技術(shù)革新。

一方面，加速器能夠產(chǎn)生并維持品質(zhì)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(wěn)定性——電子運動軌跡越接近理想的直線，發(fā)出的光就越集中、越亮。

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

同時，HEPS還集成了多項自主攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。創(chuàng)新回注型方案，提升儲存環(huán)電子數(shù)量；小孔徑磁鐵技術(shù)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(xiàn)對電子束的更精準控制。特殊的真空室內(nèi)壁鍍膜技術(shù)解決了狹小空間內(nèi)的真空維持難題。自主研發(fā)的插入件技術(shù)，能夠迫使電子束進行更劇烈的偏轉(zhuǎn)運動，從而產(chǎn)生更強、更集中的X射線。這些技術(shù)共同作用，使得HEPS能夠穩(wěn)定產(chǎn)生高品質(zhì)的X射線。

另一方面，光束線能夠?qū)庠窗l(fā)出的光束以逼近物理極限的精密程度進行“手術(shù)”和“調(diào)制”，獲得用戶需要的高品質(zhì)光束。

HEPS的每條光束線站都是超精密的光學(xué)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(diào)制，團隊創(chuàng)新研發(fā)了國際領(lǐng)先水平的光學(xué)設(shè)備和器件，包括50 皮米精度的光學(xué)面形儀、1.9皮米波前精度全束徑單色晶體和7納弧度穩(wěn)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(xué)設(shè)備對同步輻射光束進行“手術(shù)”和“調(diào)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(tǒng)，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(zhì)復(fù)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(yīng)的每一條光束線站都有獨特的設(shè)計，比如，HEPS原創(chuàng)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(xiàn)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(chuàng)新設(shè)計建設(shè)了國際上第一條波蕩器紅移光束線，實驗的光強和數(shù)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(xué)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(jié)構(gòu)，它的巧妙原理就和有經(jīng)驗的攝影師通過星狀光芒判斷鏡頭狀態(tài)和光圈結(jié)構(gòu)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(jié)合狀態(tài)，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(guān)節(jié)，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(xué)。

捕捉極端光線的“超級相機”

要充分利用HEPS產(chǎn)生的極高亮度X射線，需要專門的探測設(shè)備。傳統(tǒng)的X射線探測采用間接方式，就像胸透設(shè)備先將X光轉(zhuǎn)換為可見光再成像，這會損失信息精度。

直接探測技術(shù)讓X射線直接轉(zhuǎn)換為電信號，避免了信息損失。科研團隊經(jīng)過十年攻關(guān)，自主研發(fā)了包括傳感器、專用集成電路芯片和先進封裝技術(shù)在內(nèi)的完整直接探測器系統(tǒng)。這些探測器能夠捕捉亮度動態(tài)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(tài)研究提供了可能。

推動多學(xué)科前沿研究的強大平臺

HEPS作為綜合性研究平臺，其應(yīng)用范圍涵蓋基礎(chǔ)科學(xué)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的多個關(guān)鍵領(lǐng)域。

在材料科學(xué)方面，HEPS能夠觀測航空發(fā)動機葉片在高溫下的微觀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fā)更耐高溫的航空材料。

在生命科學(xué)領(lǐng)域，HEPS先進的成像能力還可以用于靈長類動物腦部神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的精細三維成像，推動腦科學(xué)研究的發(fā)展。其高亮度X射線使得科學(xué)家能夠解析復(fù)雜的生物大分子結(jié)構(gòu)，包括病毒蛋白、藥物靶點等，為新藥研發(fā)提供關(guān)鍵信息。

在能源環(huán)境方面，HEPS可以研究催化反應(yīng)過程中催化中心的動態(tài)變化，幫助設(shè)計更高效的環(huán)境催化劑和能源轉(zhuǎn)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(fā)高性能電池提供指導(dǎo)。

通過持續(xù)的原始創(chuàng)新和關(guān)鍵核心技術(shù)突破，這座“大國重器”即將成為探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)、推動多學(xué)科交叉創(chuàng)新的強大平臺。

預(yù)計從2026年起，HEPS將正式向科研用戶開放，首批建設(shè)14條公共光束線站，覆蓋從工程材料到生物醫(yī)學(xué)的眾多研究領(lǐng)域。不僅將會有力地促發(fā)多個基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域取得突破，還將強勁驅(qū)動芯片制造、新藥研發(fā)、能源化工、航空航天等多個產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，成為推動科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新深度融合的強大引擎。

HEPS的建設(shè)標志著中國在同步輻射光源領(lǐng)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(xué)研究和技術(shù)創(chuàng)新中心。

來源：騰訊太空

編輯：測不準的小陽

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