燕山南麓，雁棲湖畔，一座銀灰色的巨型環(huán)形裝置——高能同步輻射光源靜臥在連綿群山間。從空中俯瞰，它如同一個(gè)架在大地上的放大鏡。
日前，科技日?qǐng)?bào)記者跟隨中國科學(xué)院高能物理研究所科研人員，來到北京懷柔科學(xué)城，探秘這臺(tái)被譽(yù)為“超級(jí)顯微鏡”的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。
“這是我國首臺(tái)高能量同步輻射光源，也是亞洲首個(gè)第四代同步輻射光源?！边M(jìn)入實(shí)驗(yàn)大廳，高能同步輻射光源工程總指揮、中國科學(xué)院高能物理研究所研究員潘衛(wèi)民熱情地介紹，它的建成，標(biāo)志著我國在同步輻射光源領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了從第三代到第四代的代際跨越。
“亮度可達(dá)太陽光1萬億倍”
“高能同步輻射光源能干啥？它是怎么工作的？”
面對(duì)記者的提問，潘衛(wèi)民形象地比喻道：“它就像科學(xué)家手中的大號(hào)‘顯微鏡’，能夠幫助我們看清實(shí)驗(yàn)樣品，解析物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)及其演變過程。”
比如，它能看清金屬材料在極端條件下的原子排列變化，幫助科學(xué)家設(shè)計(jì)出更堅(jiān)硬的合金；也能檢查芯片里比頭發(fā)絲細(xì)千倍的電路有沒有瑕疵，保障手機(jī)電腦運(yùn)轉(zhuǎn)更高效。
在高能同步輻射光源的儲(chǔ)存環(huán)里，電子以接近光速飛馳，當(dāng)經(jīng)過彎轉(zhuǎn)磁鐵時(shí)，會(huì)沿著軌道切線方向釋放出極其明亮的同步輻射光。這些光被引到光束線站，就能像探照燈一樣“照亮”實(shí)驗(yàn)樣品，讓科研人員看清微觀世界的秘密。
“這個(gè)過程就像下雨天我們快速轉(zhuǎn)動(dòng)雨傘，沿傘邊切線方向，會(huì)飛出一簇簇水珠。光源的加速器就好比這把雨傘，飛出的水珠就是X光，也就是我們所說的同步輻射光。”潘衛(wèi)民說，這種同步輻射光，能覆蓋從太赫茲、紅外線到硬X射線的寬廣波段，脈沖寬度僅為納秒甚至皮秒量級(jí)。
其實(shí)，我國此前已經(jīng)建成多臺(tái)同步輻射裝置，比如北京同步輻射裝置、合肥光源、上海光源等?！盀槭裁催€要建設(shè)這臺(tái)高能同步輻射光源？它與其他同步輻射裝置有什么不同？”記者追問道。
“該裝置定位為高能量光源，全面實(shí)現(xiàn)同步輻射光源的代際跨越。”潘衛(wèi)民解釋，與第三代相比，第四代同步輻射光源看樣品更清晰的同時(shí)，所用時(shí)間也更短?！案吣芡捷椛涔庠吹哪芰亢芨?，電子束流能量達(dá)到60億電子伏特，可以發(fā)射300千電子伏特及以上的X光，能看清更厚重的樣品；同時(shí)，它的亮度可達(dá)太陽光1萬億倍，能夠捕捉百億分之一秒的分子運(yùn)動(dòng)。”潘衛(wèi)民說。
“這臺(tái)裝置并非對(duì)原有設(shè)施的簡(jiǎn)單替代。”高能同步輻射光源工程常務(wù)副總指揮、中國科學(xué)院高能物理研究所研究員董宇輝說，“這些同步輻射光源各有所長(zhǎng)、互補(bǔ)共存，共同構(gòu)成了我國同步輻射光源的完整體系。”
“核心設(shè)備國產(chǎn)化率超95%”
說話間，記者隨科研人員穿過重重屏蔽門，來到儲(chǔ)存環(huán)加速器隧道。眼前整齊排列的磁鐵、高頻腔和真空室，如同一條精密的金屬巨龍蜿蜒伸展。
“這里就是高能同步輻射光源的‘心臟’。它周長(zhǎng)1.36公里，環(huán)內(nèi)占地面積堪比20個(gè)足球場(chǎng)?！倍钶x指著裝置結(jié)構(gòu)圖介紹，“被加速到60億電子伏特的高能電子束，就在這個(gè)環(huán)里以近光速運(yùn)行，發(fā)射同步輻射光，為光束線站提供光源?！?/p>
儲(chǔ)存環(huán)中，1776塊磁鐵精密排列，引導(dǎo)著電子束的運(yùn)行軌跡。電子束繞環(huán)一圈僅需4.5微秒，相當(dāng)于一秒內(nèi)要飛馳20多萬圈。在這極速的往復(fù)中，任何微小的偏差，都會(huì)導(dǎo)致電子撞上管壁而瞬間丟失。
為了讓電子束跑得更穩(wěn)、產(chǎn)生的光更亮，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)攻克了一系列世界級(jí)技術(shù)難題。比如，他們?cè)趪H上首創(chuàng)并采用回注型在軸置換注入方案，實(shí)現(xiàn)單束團(tuán)高電荷量穩(wěn)定運(yùn)行，并創(chuàng)新采用48周期混合七彎鐵消色散磁聚焦結(jié)構(gòu)?！巴ㄟ^增加彎轉(zhuǎn)磁鐵的數(shù)量并優(yōu)化布局，我們將電子束的自然發(fā)射度降低至60皮米·弧度以內(nèi)?！倍钶x說。
“皮米是電子束橫向粗細(xì)尺寸，弧度是電子束運(yùn)行時(shí)發(fā)散角度，二者相乘的數(shù)值越小，說明電子束在高速飛奔時(shí)越聚攏、發(fā)散越少。該數(shù)值意味著，電子在飛奔過程中始終能保持緊湊的‘隊(duì)形’，發(fā)散程度僅有幾微米?！倍钶x補(bǔ)充道，這讓裝置能夠清晰捕捉微觀世界里原子、分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)與超快運(yùn)動(dòng)。
同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還攻克了多項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)核心設(shè)備的國產(chǎn)化。比如，小孔徑磁鐵技術(shù)將磁鐵孔徑縮小到25毫米左右，使得磁場(chǎng)梯度達(dá)到第三代光源的4倍，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電子束的更精準(zhǔn)控制；真空室內(nèi)壁鍍膜技術(shù)解決了狹小空間內(nèi)的真空維持難題；自主研發(fā)的芒果型扭擺器、四陣列AK型波蕩器等插入件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了國際上視場(chǎng)面積最大、高相干等更高品質(zhì)X射線穩(wěn)定輸出。
“得益于全面推進(jìn)自主創(chuàng)新，高能同步輻射光源核心設(shè)備國產(chǎn)化率超95%，綜合性能達(dá)到國際同類裝置領(lǐng)先水平，光源亮度比第三代裝置高出近百倍，能夠源源不斷地產(chǎn)生高品質(zhì)的X射線?！倍钶x說。
“試用效果遠(yuǎn)超預(yù)期”
走出儲(chǔ)存環(huán)隧道，記者來到高能同步輻射光源硬X射線成像線站控制室。剛一進(jìn)門，電腦屏幕上獼猴腦神經(jīng)元連接網(wǎng)絡(luò)的大視場(chǎng)介觀三維圖便映入眼簾。
“這是我們線站正在進(jìn)行的獼猴腦樣品成像實(shí)驗(yàn)?！敝袊茖W(xué)院高能物理研究所研究員黎剛介紹，硬X射線成像線站能產(chǎn)生高相干的高能X射線，具備強(qiáng)穿透、高靈敏、大視場(chǎng)、高分辨的成像能力，將推動(dòng)航空航天材料研究、全腦介觀3D成像等前沿領(lǐng)域發(fā)展。
作為這臺(tái)高能光源的特色線站之一，硬X射線成像線站只是“大家庭”的一員。高能同步輻射光源首期建成了14條用戶光束線站和1條測(cè)試線站。這些線站能為工程材料、芯片微電子、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的研發(fā)提供關(guān)鍵支撐。
2025年10月29日，高能同步輻射光源通過中國科學(xué)院組織的工藝驗(yàn)收，之后開展了數(shù)輪用戶試用課題征集。目前，該裝置采取“用戶試用實(shí)驗(yàn)+性能優(yōu)化”交替運(yùn)行模式，研究?jī)?nèi)容涵蓋航空航天器件缺陷和疲勞評(píng)估、動(dòng)力電池充放電原位研究、3D打印超快過程、腦及器官成像、半導(dǎo)體檢測(cè)等前沿領(lǐng)域。
在航空航天領(lǐng)域，該裝置通過高穿透能力，更深層次表征航空航天器件缺陷探測(cè)，助力航空航天安全；在生命科學(xué)領(lǐng)域，通過表征靈長(zhǎng)類動(dòng)物腦部神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，推動(dòng)腦科學(xué)研究的發(fā)展；在新能源領(lǐng)域，通過高時(shí)空分辨原位表征動(dòng)力電池充放電過程，助力開發(fā)高性能電池。
“用戶反饋試用效果遠(yuǎn)超預(yù)期，有些此前在其他光源上無法看清的樣品，如今在高能同步輻射光源上能夠清晰分辨?！崩鑴傉f，目前，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在推進(jìn)裝置達(dá)標(biāo)驗(yàn)收的基礎(chǔ)上，正積極對(duì)接科研院所和龍頭企業(yè)的重大需求，力爭(zhēng)早出成果、多出成果、出大成果。
面向未來，高能同步輻射光源還將持續(xù)迭代，向著更低發(fā)射度、更短脈沖、更高亮度邁進(jìn)?！拔覀円褑?dòng)后續(xù)線站建設(shè)的規(guī)劃，計(jì)劃新增多條光束線站及配套加速器設(shè)備，進(jìn)一步提升用戶服務(wù)能力?！迸诵l(wèi)民透露，下一代光源有望將束流發(fā)射度降低至衍射極限，真正實(shí)現(xiàn)“看見每一個(gè)原子”。
（責(zé)任編輯：蔡文斌）
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