【科学强国】“照亮”微观世界，HEPS到底是个啥？

3月14日，“十三五”国家重大科技基础设施高能同步辐射光源（HEPS）直线加速器满能量出束，成功加速第一束电子束。自此，高能光源进入科研设备安装、调束并行阶段，向产生世界最“亮”的光再迈进一步。

HEPS鸟瞰图 图源：中科院高能所

这个“放大镜”造型的“UFO”，就是中国的高能同步辐射光源（HEPS），它如同一个超大号的X光机，可以“照亮”微观世界，通过对微观结构多维度、实时、原位表征，为物质做“体检”，揭示物质微观结构生成及演化机制。 

追“光”：从“厌恶”到被“追捧” 

同步辐射光本质上就是一种高能X射线。X射线作为探测物质结构的探针，其光源亮度是最为关键的指标。更高的亮度意味着能将物质内部的微观结构“看”得更清楚。

在发现同步辐射的70多年历史里，从最初被“厌恶”，到现在被“追捧”，人们对同步辐射的态度也发生了巨大的转变。

最初的同步辐射光源是“寄生”在粒子对撞机上的，是在现有粒子加速器的基础上开展同步辐射研究，也就是第一代同步辐射光源。第二代光源是专用同步辐射光源，不再依赖于粒子对撞机以及粒子物理的研究。第三代光源是使用了大量的插入件，这提高了同步辐射的性能。

现在，国际上已经发展到了第四代同步辐射光源，这一代光源基于衍射极限储存环技术，电子束发射度比上一代降低1-2个数量级，接近甚至达到X射线的衍射极限发射度，而平均亮度则更高。实际上，直到2010年左右，衍射极限储存环的关键物理与技术取得突破，才使得衍射极限储存环的实现成为可能。巴西的Sirius、欧洲的 ESRF-EBS、美国的APS-U等都属于第四代光源。

同步辐射光源已经成为支撑多学科前沿研究及众多国家需求、工业应用研究至关重要的实验设施，基于同步辐射光源的研究工作已经获得了5次诺贝尔奖，一系列创新的工业、医药等产品也在同步辐射光源的支持下得到研发。同时，科学研究前沿、国家需求的发展也不断地促进着同步辐射光源性能的提升，国际上大约每隔十年左右就会出现一批新的性能更高的同步辐射光源。

目前，全世界正在运行的同步辐射光源有50多台，是数量最多、支撑学科范围最广的大科学实验设施。

中国第一台高能量同步辐射光源

中国同步辐射也经历了四代的发展。

第一代是1989年建成的依托北京正负电子对撞机的北京同步辐射装置，第二代是1990年建成的合肥同步辐射光源，第三代则是2009年建成的上海光源。开放运行以来，各装置孕育了许多重量级的科学研究成果。

2023年3月14日，“十三五”国家重大科技基础设施、中国的第四代同步辐射光源——高能同步辐射光源（High Energy Photon Source，HEPS）直线加速器满能量出束，成功加速第一束电子束。它如同一个超大号的X光机，可以“照亮”微观世界，通过对微观结构多维度、实时、原位表征，为物质做“体检”，揭示物质微观结构生成及演化机制。

HEPS由中科院高能所承担建设，自2019年6月启动建设，建设周期为6.5年，预计2025年底竣工验收。

作为一台电子能量为6GeV，发射度小于等于0.6 nm·rad的高性能高能同步辐射光源，其首要目标为提供高能、高亮度的硬X射线，这是为了满足国家发展战略相关研究的需求，诸如航空发动机材料、核材料研究必须依靠这种高性能的X射线。同时，也将为工业领域与基础科学领域提供更好的支撑平台。

HEPS直线加速器能谱靶截图 图源：中科院高能所

建成后，这将是将是中国拥有的第一台高能量同步辐射光源，也将是世界上亮度最高的第四代同步辐射光源之一，将和我国现有的光源形成能区互补，对提升我国国家发展战略与前沿基础科学和高技术领域的原始创新能力具有重大意义。 

“高能光源顾名思义，就是通过将电子加速至接近光速，让其产生稳定、高能量、高亮度的同步辐射光，‘照亮’物质的微观结构。我们现在对电子束所做的第一级加速，解决了高能电子‘从无到有’的关键一环。”HEPS工程加速器部副主任李京祎介绍，下一步团队要在此基础上，继续优化直线加速器的电子束品质，并着手调试增强器的相关设备，争取在今年内实现将电子加速至6千兆电子伏。

HEPS的未来：潜力无限

3月5日，科技部部长王志刚在十四届全国人大一次会议首场“部长通道”上表示，加强基础研究是我们党把握科技创新规律的一个新认识，也是我们国家在科技创新发展到一个新阶段的历史性、现实性的要求。 

基础研究离不开先进的科学装置。作为国家重大科技基础设施的重要组成部分，同步辐射光源，如同一台超级显微镜，能够让科学家在原子和分子的层次上去研究物质的内部结构，也可以做大分子结构的研究，真正做到“俯察品类之盛”，成为支撑众多学科前沿基础研究与高新技术研发不可或缺的试验手段。

作为尖端技术的大型科学装置HEPS自身的建设，也会带动和提升众多相关产业的技术进步，产生良好的社会经济效益。加速器是综合多种高技术，如高频、微波、高精度电磁场、稳定和脉冲电源、超高真空、高电压、精密机械、计算机自动控制、快电子学等的大型设备。HEPS的成功建造和运行，将研发和引进多项世界先进技术。这些技术在我国进一步发展和推广，将大大提高我国相关高科技产业的水平。光束线站的建造将引进和发展世界先进的光学技术和探测技术，包括各种形态的单色器晶体、像素阵列探测器、新型快电子学和海量数据传递和处理等。HEPS的建设将直接带动上述相关高科技研究和工业的发展。 

HEPS将在我国的国家发展战略、微电子、医药、石油、化工、生物工程和微细加工等的开发应用研究中得到广泛的应用。 

（中国小康网综合中国日报网、北京青年报、央视新闻、中科院高能所、中国科技网等）

来源：中国小康网

作者：风华

审核：龚紫陌