比太阳亮1万亿倍的光——高能同步辐射光源
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发布时间：2026-01-22 15:54:08
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文图/袁广（中国科学院高能物理研究所）在人类不断探索科技发展的历程中，光发挥着至关重要的作用。阳光照射物品，携带颜色、大小等各种信息进入我们的眼睛。借助光，我们得以看清五彩缤纷的世界。伴随着放大镜、光学显微镜等工具及技术的进步，我们能够观察越来越细微的结构。科学家需要借助波长与原子尺度相当的X射线，以探究事物的本质，看清分子甚至原子尺度的微观结构。高能同步辐射光源（HEPS）就是这样一台能产生高能量的X射线以观察物质微观结构的大科学装置。
神奇的光 比太阳亮1万亿倍同步辐射指接近光速的带电粒子在磁场中转弯时，在前进轨道的切线方向产生电磁辐射的现象。同步辐射装置是世界上建造数量最多的一种大科学装置，目前世界上有60台以上同步辐射装置在建造和运行，其对科学技术发展的支撑作用是其他大科学装置所无法比拟的。全球设计亮度最高的同步辐射光源我国的高能同步辐射光源位于北京市怀柔科学城，是国家“十三五”规划建设的重大科技基础设施之一。它不仅是我国首台第四代同步辐射光源，也是目前全球设计亮度最高的同步辐射光源，建成后，可发出比太阳亮1万亿倍的光，为我国航空航天、能源环境、生物医药等众多前沿科学提供重要的支撑平台。高能同步辐射光源的厉害之处第一代同步辐射光源是寄生在高能物理加速器上的兼用装置，其同步辐射研究的性能和时间受限；第二代同步辐射光源专门设计用于同步辐射研究；第三代同步辐射光源是优化束流低发射度、大量应用插入件的专用光源，以小发散度提高光源亮度是其主要特点。光的能量与光的穿透能力直接相关，越高能的光，穿透力越强，光与物质作用的范围越大，更有利于表征真实物质材料的真实工作状态。尽管我国已经拥有了三代同步辐射光源，但它们均处于中、低能量区。由于所处能量区的限制，虽然能够“看见”所观察物质的分子结构，但是捕捉其变化过程，特别是捕捉真实状态下物质结构的变化过程，还面临着很大的困难和不足。第四代同步辐射光源是发射度低至X光的衍射极限的储存环光源，普遍采用多弯铁消色散结构，具有更加优异的亮度和相干性。另外，它还能探测更快、更微观的物质结构演化机制。加速电子 生产光高能同步辐射光源装置主要分为两大部分，一部分是加速器，负责产生、加速高品质的电子束，并产生同步辐射（X射线）；另一部分是光束线站，负责针对不同的实验需求，对加速器产生的光进行精细化调制，输送到实验站进行样品实验。加速器“大拆分”高能同步辐射光源的加速器主要由直线加速器、增强器和储存环三台独立的加速器组成。光束线站“大拆解”光束线站沿储存环外侧的切线方向分布，主要分为光束线和实验站两部分。由于储存环中引出的同步光频谱宽、光斑相对较大，不能直接提供给用户进行实验。光束线便会通过单色器、聚焦镜等一系列光学元件，对加速器产生的光进行调制，挑选出波长单一的单色光，并聚焦到更小尺寸，最终“定制化的光”被输送到实验站，提供用户进行高水平实验。我们观察世界时，阳光照射物品，光携带各种信息进入眼睛，眼睛探测到信号并传输给大脑，经过大脑处理，就形成了我们所感知到的图像。在同步辐射设备中，探测器就相当于眼睛，负责采集X射线携带的各种信息，科学家进行反推处理后，反馈实验样品的真实情况。所以，我们不仅需要高品质的同步辐射光，也同样需要高品质的探测器。照亮微观的“超级显微镜”能做哪些前沿研究？脑科学研究人为什么要睡觉？为什么会做梦？意识的生物学基础是什么？记忆如何储存和恢复？精神疾病产生的机理是什么？为解决这一系列科学问题，多国相继启动“脑研究”计划。目前，生物学家在宏微观尺度已取得重要进展，但在介观尺度（纳米到微米），尚缺乏有效的成像方法。揭示和完善全脑介观连接图谱至关重要，高能同步辐射光源具备全脑介观连接图谱的成像能力。工程材料全生命周期研究飞机、高铁、汽车等交通工具的材料或金属部件在服役过程中的可靠性至关重要，科学家非常关注其全寿命周期和真实工况下的失效过程和机理。高能同步辐射光源可提供高达300keV（1keV＝1000电子伏特）的高能X射线以及强大的原位实验支撑，满足大尺度工件服役周期中的无损检测与模拟评估。环境科学研究妥善解决环境问题是国家可持续发展的关键问题。高能同步辐射光源可在分子和原子尺度上研究污染物的种类、性质等化学和生物过程，理解污染物在大气、水、土、生物等各种环境介质中的迁移和转化过程。集成电路纳米成像芯片结构愈加精细复杂，如何确保制造的芯片符合设计要求已成为巨大挑战。未来，借助高能同步辐射光源高相干性、高亮度、纳米聚焦等优势，基于高能同步辐射光源的X射线芯片检测技术将有望实现亚纳米甚至原子级分辨率的无损检测，在我国半导体产业的发展中发挥重要作用。以上前沿研究和应用场景，仅仅是高能同步辐射光源支撑领域的冰山一角。可以预见，高能同步辐射光源将与我国现有的光源形成能区互补，面向广大科研和产业用户开放，聚焦战略性、前瞻性基础研究，聚焦产业关键科学技术、前沿引领技术，实现引领性原创成果重大突破，打造国际科技创新中心的核心支撑。知识链接接近光速的电子是如何乖乖沿既定轨道行进的？磁铁系统是加速器中最关键的系统之一，负责控制和约束电子的方向。40页图中，五颜六色的设备就是磁铁，红色的长方体磁铁是二极铁，负责让电子“转弯”；蓝色的磁铁是四极铁，作用类似聚焦镜，可将向外扩散的电子再聚到一起，与其他电子抱得更紧；绿色和黄色的六极铁和八极铁，作用较复杂，主要是为了让电子束流运动更稳定。高能同步辐射光源于2019年6月开工建设，6年来，众多科学家攻坚克难，推动核心技术取得突破。2024年10月12日，高能同步辐射光源储存环W73扭摆器发射的高能同步光经350米光束线调制抵达硬X射线成像HXI线站样品处，成功发射第一束同步辐射光。此后，高能同步辐射光源开展了多轮带光联调，15条光束线站全部出光。2025年底，高能同步辐射光源一期工程将完成建设，启动试运行。
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