中國“超級放大鏡”震撼亮相！創(chuàng)世界之最，可比太陽亮1萬億倍

探訪“超級放大鏡”

在北京懷柔有一座造型酷似放大鏡的建筑。這里藏著一臺由中國自主研發(fā)并讓世界矚目的大國重器，它可發(fā)出比太陽亮1萬億倍的光，能穿透物質表層，看清原子級別的微觀結構，它就是中國首臺高能同步輻射光源HEPS。

作為亞洲第一臺、全球僅三臺的頂尖科學裝置，HEPS是世界上發(fā)射度最低、亮度最高的第四代高能同步輻射光源之一，它于2025年10月29日通過了工藝驗收，將于2026年逐步對用戶開放。

本期中國茅臺《近觀中國》特邀來自比利時的觀察員彭望龍，走進HEPS，與科研人員深度對話，解鎖“超級放大鏡”的誕生密碼與應用藍圖。

“超級放大鏡”能干啥？

焦毅是HEPS設計骨干，也是系統(tǒng)負責人之一，他首先帶著彭望龍從模型初步認識HEPS。圖中這個圓圈是HEPS的核心部件——儲存環(huán)，在現(xiàn)實中，這個環(huán)的周長接近1.4公里。在這個環(huán)形管道里，電子以接近光速的速度循環(huán)運動，每秒能完成數(shù)萬圈旋轉，在切線方向發(fā)出超強X射線。

而這些光到底能做什么呢？它們可以以接近原子的精度揭示微觀結構，推動許多科學領域的進步。如今全球近70%的已知生物大分子結構是通過同步輻射被探測出來的。

據(jù)焦毅介紹，全世界有超過50臺同步輻射光源，但遠遠無法滿足用戶需求。作為此類儀器中最先進的一代，第四代、高能量同步輻射光源在全球僅建成了三臺，對比上一代同步輻射光源的亮度飛躍，堪比從牛車換成高速列車。

HEPS作為第四代同步輻射光源，將束流體積縮小了100倍，相當于把手指尖壓縮到針尖大小，讓光線更集中、更明亮，能看清兩埃以下的微觀結構，達到真正的原子級精度。

圍繞儲存環(huán)，分布著14個用戶光束線站，將來可以建成幾十個光束線站，就可以同時容納幾十組科學家開展研究。從蛋白質晶體到高鐵車輪，從猴腦組織到人體器官，這臺 “超級放大鏡” 的研究領域十分廣泛。

在生物大分子線站中，即將用HEPS發(fā)出的X射線對蛋白質晶體進行觀測。在光照下，蛋白質的三維結構清晰顯現(xiàn)。

高增強（HEPS生物大分子線站負責人）：“X光是一個研究晶體非常有力的工具。比如說做藥物設計，我們國家發(fā)現(xiàn)新冠疫情之后，短短一個月內，清華大學的饒子和院士就利用上海光源，快速得到了病毒的主蛋白酶的結構，之后基于這個結構設計的藥物。得到它的結構之后，我們就可以設計一個小分子把它的空洞填補起來。即使它進入人體，也不可能和宿主體內相關的小分子結合，所以就起到了抑制病毒的作用。”

隨后，彭望龍來到了HEPS硬X射線成像線站，而這里就有他最感興趣的用來研究神秘大腦的實驗室。

科研人員正在用同步輻射光源對食蟹猴的猴腦進行觀測和分析。

黎剛（HEPS硬X射線成像線站負責人）：“我們這個線站是世界上空間相干長度最長的、最好的一個同步輻射的成像線站。這也意味著它的輻射劑量低，但成像還很清楚，能夠看到很小的一個病變。在這個線站，它的光斑會變得特別大，做人腦成像的時候，一套CT就可以把整個人腦解析出來。”

從電腦屏幕上，彭望龍看到了猴腦結構圖像，放大后，神經(jīng)元的胞體和樹突清晰可見。而這樣的清晰度，也給科研人員帶來了一份“苦惱”——存儲難。

黎剛：“這個圖像分辨率是50K像素，普通電腦屏幕只有2K或4K，你現(xiàn)在看到的都是壓縮后的，將來數(shù)據(jù)量會非常大，一套原始數(shù)據(jù)可能需要1000個硬盤才能存下。”

黎剛還向彭望龍展示了一段歐洲同步輻射裝置制作的人腦成像視頻，畫面中，神經(jīng)元被持續(xù)放大，細節(jié)驚人。彭望龍很好奇，我們的HEPS什么時候可以照出人腦樣本。

“2026年年初” 黎剛回答，他還告訴彭望龍，他們的科研團隊已經(jīng)和多個腦庫進行合作研究，這將給人腦成像帶來革命性促進。

黎剛：“人腦有800多億個神經(jīng)元，和宇宙中的星星一樣多。有了HEPS，阿爾茨海默癥患者的大腦變化、腦膠質瘤的定位、藥物治療后的效果、腦機接口的作用細節(jié)都能看得更清楚，甚至可能可以結合放療進行治療，治療后還能觀察療效。我們已經(jīng)開始計劃推動跟在各個器官上非常有特色的醫(yī)院開展研究，觀測某一個器官的各種發(fā)育階段，以及各種疾病下的不同狀態(tài)做成圖譜。絕大部份信息都會公開。”

目前，中國政府投入50億資金建設的這個大科學裝置，將面向全球的用戶開放，現(xiàn)在就已經(jīng)有百余名用戶在排隊。來自各領域的頂級專家組成的用戶委員會持續(xù)關注裝置的后續(xù)運行情況，以期促進前沿基礎科學研究、產業(yè)創(chuàng)新和國際科學交流。

這束光怎么來的？

了解了HEPS對醫(yī)療領域未來的重要之處后，彭望龍愈發(fā)好奇，這束光到底是如何產生的？科研人員又遇到過哪些難題？

“要實現(xiàn)這樣的工程，最難的是精度控制。” 焦毅帶著彭望龍來到儲存環(huán)內部，眼前復雜的管道和磁鐵設備讓他直觀感受到了工程的艱巨。

焦毅介紹，磁鐵是光源的關鍵部件之一，每兩個磁鐵中心的偏差必須小于30 微米，這相當于一根頭發(fā)絲的粗細。“安裝磁鐵的地面振動要控制在25納米以內，是頭發(fā)絲粗細的1000分之一，這樣才能保證電子束每一圈旋轉的位置變化不超過1微米，稍有偏差，束流就很難通過。”

為了弄清磁鐵準直的奧秘，彭望龍來到準直實驗室，負責人董嵐告訴彭望龍，眼前的這套機器就是將磁鐵準直誤差控制在30微米以內的關鍵，并展示了其使用方法。

董嵐：“這四臺激光跟蹤儀，能跟蹤貓眼反射鏡球體。這是一個1.5英寸的一個球，我把它放在這里，照著這個球心，測量四個邊長，交會在球心這一個點上。激光器正在自動移動，測量每一個磁鐵上面的四個點的坐標值。”

通過數(shù)據(jù)檢測，科研人員能精準發(fā)現(xiàn)磁鐵的實際安裝位置與理論位置在微米尺度的差距，進行校準。

董嵐一直致力于中國重大國家工程項目的準直工作，在他從業(yè)的四十多年中，中國接連在北京、合肥、上海等地建設著七個同步輻射光源。彭望龍很好奇中國為什么在這一領域發(fā)力。

董嵐（HEPS準直系統(tǒng)負責人）：“在小分子結構甚至原子結構這樣一個尺度領域上的研究，需要大量的同步輻射裝置。現(xiàn)在我們國家正在運行的同步輻射裝置，還遠遠不能滿足這些應用研究領域的需求。”

董嵐參與的首個準直工程就是中國的第一臺同步輻射光源。但這次挑戰(zhàn)空前，與眾不同，突破了精度的極限，科研和創(chuàng)新用了兩年多。

董嵐：“十多年前，我們做的散裂中子源項目，它的儲存環(huán)的周長才200多米。我們現(xiàn)在的規(guī)模是1300多米，規(guī)模大了5倍，準直精度還比以前提高了3到4倍。這個給我們帶來了很大的挑戰(zhàn)。而且此前也沒有國外的經(jīng)驗可以借鑒，美國和歐洲是在現(xiàn)有的隧道里面拆掉舊設備，裝新設備，它們是現(xiàn)成的條件。我們完全是在一片空地中拔地而起。我們工作量比他們大，這就要求我們工作效率要高。”

為了按時完成任務，2022年，本該退休的董嵐選擇了堅守戰(zhàn)場。這一年，為了防止疫情的傳染，董嵐和妻子兩地分居，與11個同組研究人員，9個月沒有離開懷柔。

十年磨一劍

與董嵐一樣堅守的科研人員還有很多，焦毅就是其中之一。

三年前，HEPS主體結構建成后，焦毅從北京城區(qū)搬到了懷柔辦公。過去三年，團隊經(jīng)常連續(xù)幾個月24小時輪班調試光源，周末不休息，緊急時還要加班到半夜。

這里就是HEPS的中央控制室，也是焦毅的戰(zhàn)場，他和團隊需要24小時輪班值守，對著屏幕調參數(shù)。因為束流非常敏感。白天、晚上、冬天、夏天、開機、關機都會引起它的位置發(fā)生毫米級或亞毫米級的漂移，需要持續(xù)實時調整。

2012年，焦毅就開始參與HEPS的設計，歷時十年才設計完成。

焦毅（HEPS加速器部副主任）：“像我們的真空設備，需要去購買一種進口的快卸法蘭。但我們經(jīng)過反復討論，最終決定要采用國產的法蘭。確定方案后，我們又花了一年的時間反復去優(yōu)化，設計光源的亮度等等。保證了這項技術完全自主。2016年到2017年左右開始，我們所有的設計和硬件建造都是獨立自主完成的。我們和同類光源一直在PK，他們先做到了六十幾皮米，我們就把設計更新到六十皮米。他們的設計做到四十幾皮米，我們就做到三十幾皮米。目前，我們設計的發(fā)射度是世界上最小的。科研的本質是在不斷超越的，所以我們需要不斷地向前進。我們的這個設計方案，可以保證它建成后，在未來的五到十年，始終是國際上最亮的同步輻射光源之一。而且我們的方案是面向國際公開的。”

為了更清晰地揭示微觀的結構，必須用超光滑的鏡面將光聚焦到極高的亮度。為了實現(xiàn)這一目標，這里建造了一個實驗室，國際專家將其評為全球最高實驗水平，具有無與倫比的光學鏡面檢測能力。

這樣的鏡子一面就30萬到200萬元人民幣不等，讓彭望龍吃驚了一把，他迫不及待地走進實驗室一睹真容......

2026年，HEPS將正式運行。在過去三四十年里，中國規(guī)劃的77項國家重大科學基礎設施項目，已有近半數(shù)建成運行，這些大國重器正為科學和社會發(fā)展注入巨大動力。

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制片人：張小玲

編導：李杰

編輯：于二丫