【曬曬咱的國之重器?】高能同步輻射光源：照亮微觀世界的結構奧秘

本文轉自：光明日報

【曬曬咱的國之重器？】

這裡是北京雁棲湖畔的懷柔科學城。

群山環繞中，一個圓環狀的大科學裝置靜靜矗立其間。它是被公眾親切地稱為“放大鏡”的高能同步輻射光源（High Energy Photon Source，簡稱HEPS）。

提起光源，你的腦海中會浮現出燈泡的畫面吧，於是把HEPS想象成一個“大型燈泡”。

其實不然。這裡的“高能”可不是“前方高能”裡的那個“高能”，而是指物理學中探索微觀世界物質探針所具有的高能量。

據HEPS工程總指揮潘衛民研究員介紹，從高空俯瞰，HEPS整體建築形似一個放大鏡，設計寓意為“探索微觀世界的利器”。“通俗地講，你可以把HEPS視為一個具有超精密、超快、超穿透能力的巨型X光機。”潘衛民說。

作為國家“十三五”重大科技基礎設施，HEPS由加速器、光束線站及配套設施等組成，總建築面積約12。5萬平方米。周長約1。5千米的主體環形建築，如同放大鏡的鏡框，裡面安裝有儲存環加速器、光學元件、衍射儀等科學儀器。其中的儲存環裡，分佈著2400多塊磁鐵及各類高精尖裝置。

“同步輻射是指接近光速的帶電粒子在做曲線運動時沿切線方向發出的電磁輻射，也叫作同步光。為了研究材料內部結構與變化的過程，科研人員需要藉助強力的科研裝置進行探測解析。”中科院高能物理研究所副所長、HEPS工程常務副總指揮董宇輝研究員說，作為研究物質內部結構的平臺，HEPS能對物質內部進行多維度掃描，“HEPS執行的首要目標，就是提供高能、高亮度的硬X射線。”

產生X射線的常見方式有兩種：一是用加速後的電子轟擊金屬靶，產生X射線；二是在同步輻射裝置中，當電子以接近光速的速度“飛行”時，會在磁場作用下發生曲線運動，沿著彎轉軌道切線方向發射連續的電磁輻射。

“這就像下雨時，我們快速轉動雨傘，沿著雨傘邊緣的切線方向會飛出一簇簇水珠。”董宇輝說，與常規X射線相比，同步輻射光源產生的同步輻射光頻譜更寬、亮度更高、相干性和準直性更好。

同步輻射光源根據加速器中電子的能量，可以分為低、中、高三種，各有側重。董宇輝介紹，HEPS側重於對微觀結構及演變的多維度、實時、原位表徵，可用於航空發動機單晶葉片等工程材料結構的多維度表徵和1微米量級蛋白質分子結構演變表徵等。“作為探測物質結構的探針，X射線的光源亮度是最為關鍵的指標——更高的亮度能將物質內部的微觀結構‘看’得更清楚。因此，獲得更高亮度的X射線源一直是科學家孜孜以求的目標。”

多年來，我國持續發展同步輻射光源，有力支撐了國內基礎科學的發展。但我國目前所擁有的同步輻射裝置均處於中、低能區，能區地域分佈、光譜亮度等還滿足不了經濟發展和國家戰略需求。建設更高亮度的第四代高能同步輻射光源，成為潘衛民、董宇輝等我國當代“追光人”的一大願望。

2008年，HEPS科研團隊就開始對我國建設HEPS的必要性和可行性進行論證。此後經過近十年攻關，科研人員成功完成關鍵技術攻關和樣機研製任務，具備了建設先進高能同步輻射光源的能力。

2019年6月，HEPS開工啟動，建設週期6。5年，預計將於2025年12月底竣工。建成後，它將在材料科學、化學工程、能源環境、生物醫學、航空航天等眾多領域大顯身手。

2021年6月28日，HEPS首套科研裝置——電子槍（直線加速器端頭，即加速電子產生的源頭）安裝完成，標誌著HEPS工程正式進入裝置安裝階段。

目前，HEPS各建築單體已陸續交付裝置安裝。可以預見，3年後，全球“最亮”的光源將照亮微觀世界物質的結構奧秘。