比太陽亮1萬億倍的光

在人類不斷探索科技發展的歷程中，光發揮著至關重要的作用。陽光照射物品，攜帶顏色、大小等各種信息進入我們的眼睛。借助光，我們得以看清五彩繽紛的世界。伴隨著放大鏡、光學顯微鏡等工具及技術的進步，我們能夠觀察越來越細微的結構。科學家需要借助波長與原子尺度相當的X射線，以探究事物的本質，看清分子甚至原子尺度的微觀結構。

高能同步輻射光源（HEPS）就是這樣一臺能產生高能量的X射線以觀察物質微觀結構的大科學裝置。

神奇的光 比太陽亮1萬億倍

同步輻射指接近光速的帶電粒子在磁場中轉彎時，在前進軌道的切線方向產生電磁輻射的現象。同步輻射裝置是世界上建造數量最多的一種大科學裝置，目前世界上有60臺以上同步輻射裝置在建造和運行，其對科學技術發展的支撐作用是其他大科學裝置所無法比擬的。

全球設計亮度最高的同步輻射光源

我國的高能同步輻射光源位于北京市懷柔科學城，是國家“十三五”規劃建設的重大科技基礎設施之一。它不僅是我國首臺第四代同步輻射光源，也是目前全球設計亮度最高的同步輻射光源，建成后，可發出比太陽亮1萬億倍的光，為我國航空航天、能源環境、生物醫藥等眾多前沿科學提供重要的支撐平臺。

高能同步輻射光源的厲害之處

第一代同步輻射光源是寄生在高能物理加速器上的兼用裝置，其同步輻射研究的性能和時間受限；第二代同步輻射光源專門設計用于同步輻射研究；第三代同步輻射光源是優化束流低發射度、大量應用插入件的專用光源，以小發散度提高光源亮度是其主要特點。

光的能量與光的穿透能力直接相關，越高能的光，穿透力越強，光與物質作用的范圍越大，更有利于表征真實物質材料的真實工作狀態。盡管我國已經擁有了三代同步輻射光源，但它們均處于中、低能量區。由于所處能量區的限制，雖然能夠“看見”所觀察物質的分子結構，但是捕捉其變化過程，特別是捕捉真實狀態下物質結構的變化過程，還面臨著很大的困難和不足。

第四代同步輻射光源是發射度低至X光的衍射極限的儲存環光源，普遍采用多彎鐵消色散結構，具有更加優異的亮度和相干性。另外，它還能探測更快、更微觀的物質結構演化機制。

加速電子 生產光

高能同步輻射光源裝置主要分為兩大部分，一部分是加速器，負責產生、加速高品質的電子束，并產生同步輻射（X射線）；另一部分是光束線站，負責針對不同的實驗需求，對加速器產生的光進行精細化調制，輸送到實驗站進行樣品實驗。

加速器“大拆分”

高能同步輻射光源的加速器主要由直線加速器、增強器和儲存環三臺獨立的加速器組成。

光束線站“大拆解”

光束線站沿儲存環外側的切線方向分布，主要分為光束線和實驗站兩部分。由于儲存環中引出的同步光頻譜寬、光斑相對較大，不能直接提供給用戶進行實驗。光束線便會通過單色器、聚焦鏡等一系列光學元件，對加速器產生的光進行調制，挑選出波長單一的單色光，并聚焦到更小尺寸，最終“定制化的光”被輸送到實驗站，提供用戶進行高水平實驗。

我們觀察世界時，陽光照射物品，光攜帶各種信息進入眼睛，眼睛探測到信號并傳輸給大腦，經過大腦處理，就形成了我們所感知到的圖像。在同步輻射設備中，探測器就相當于眼睛，負責采集X射線攜帶的各種信息，科學家進行反推處理后，反饋實驗樣品的真實情況。所以，我們不僅需要高品質的同步輻射光，也同樣需要高品質的探測器。

照亮微觀的“超級顯微鏡”能做哪些前沿研究？

腦科學研究

人為什么要睡覺？為什么會做夢？意識的生物學基礎是什么？記憶如何儲存和恢復？精神疾病產生的機理是什么？為解決這一系列科學問題，多國相繼啟動“腦研究”計劃。目前，生物學家在宏微觀尺度已取得重要進展，但在介觀尺度（納米到微米），尚缺乏有效的成像方法。揭示和完善全腦介觀連接圖譜至關重要，高能同步輻射光源具備全腦介觀連接圖譜的成像能力。

工程材料全生命周期研究

飛機、高鐵、汽車等交通工具的材料或金屬部件在服役過程中的可靠性至關重要，科學家非常關注其全壽命周期和真實工況下的失效過程和機理。高能同步輻射光源可提供高達300keV（1keV＝1000電子伏特）的高能X射線以及強大的原位實驗支撐，滿足大尺度工件服役周期中的無損檢測與模擬評估。

環境科學研究

妥善解決環境問題是國家可持續發展的關鍵問題。高能同步輻射光源可在分子和原子尺度上研究污染物的種類、性質等化學和生物過程，理解污染物在大氣、水、土、生物等各種環境介質中的遷移和轉化過程。

集成電路納米成像

芯片結構愈加精細復雜，如何確保制造的芯片符合設計要求已成為巨大挑戰。未來，借助高能同步輻射光源高相干性、高亮度、納米聚焦等優勢，基于高能同步輻射光源的X射線芯片檢測技術將有望實現亞納米甚至原子級分辨率的無損檢測，在我國半導體產業的發展中發揮重要作用。

以上前沿研究和應用場景，僅僅是高能同步輻射光源支撐領域的冰山一角。可以預見，高能同步輻射光源將與我國現有的光源形成能區互補，面向廣大科研和產業用戶開放，聚焦戰略性、前瞻性基礎研究，聚焦產業關鍵科學技術、前沿引領技術，實現引領性原創成果重大突破，打造國際科技創新中心的核心支撐。

高能同步輻射光源于2019年6月開工建設，6年來，眾多科學家攻堅克難，推動核心技術取得突破。2024年10月12日，高能同步輻射光源儲存環W73扭擺器發射的高能同步光經350米光束線調制抵達硬X射線成像HXI線站樣品處，成功發射第一束同步輻射光。此后，高能同步輻射光源開展了多輪帶光聯調，15條光束線站全部出光。2025年底，高能同步輻射光源一期工程將完成建設，啟動試運行。

知識鏈接

接近光速的電子是如何乖乖沿既定軌道行進的？

磁鐵系統是加速器中最關鍵的系統之一，負責控制和約束電子的方向。40頁圖中，五顏六色的設備就是磁鐵，紅色的長方體磁鐵是二極鐵，負責讓電子“轉彎”；藍色的磁鐵是四極鐵，作用類似聚焦鏡，可將向外擴散的電子再聚到一起，與其他電子抱得更緊；綠色和黃色的六極鐵和八極鐵，作用較復雜，主要是為了讓電子束流運動更穩定。

（責任編輯 / 王佳璇" 美術編輯 / 周游）