一文看懂“高能同步辐射光源”：比灯泡亮1亿亿倍，比太阳亮1万亿倍

　　注意看，在北京的怀柔科学城，正在建一个“放大镜”：

　　它将发出世界上最亮的“同步光”！

　　它发出的光会比灯泡的亮度高1亿亿倍，比普通的X光机高10万亿倍，比太阳亮度高1万亿倍，将成为我们探测微观世界的利器，照亮科研之路。

　　这就是HEPS，高能同步辐射光源。

　　01

　　什么是“高能、同步辐射、光源”？

　　“高能同步辐射光源”似乎每个字我都懂，但是合起来就不知道是啥意思了？下面我们分别解释一下。

　　光源：太阳、电灯，抑或是燃烧着的蜡烛……这些能发光的物体都是光源，而我们这里所说的光源发出的是看不见的X光，相当于一台巨型的X光机。

　　光是一种电磁波，无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线，以及伽马辐射，都可以看作不同形式的光。同时，光也是一种粒子，叫做光子。我们可以用波长或者频率表征光波，也可以用能量表征光波。波长越短，能量越高。

　　波长在0.01?100埃（1埃=0.1纳米=10-10米）范围内的电磁波，就是X光，也称X射线，由德国物理学家 W.K. 伦琴于 1895 年发现，故又称伦琴射线。波长越短，能量越高，穿透能力越强。

　　在物质的微观结构中，原子和分子的距离(1?10埃)正好落在X射线的波长范围内，所以物质对X射线的散射、衍射和吸收等等能够传递极为丰富的微观结构信息，因此，X射线被视为探测物质微观结构的理想探针。

　　　　同步辐射：

　　产生X射线的一种方式。

　　目前比较常见的产生X射线装置有两种：一种是用高能电子轰击金属，电子在打进金属的过程中急剧减速，减速的带电粒子或者激发的金属原子会辐射电磁波，如果电子能量很大，比如上万电子伏，就可以产生X射线，这是目前实验室和工厂、医院等地方用的产生X射线的方法，该方法产生的X射线要么能量比较单一，要么亮度比较弱；

　　另外一种就是同步辐射装置。如果在雨中快速转动雨伞，沿伞边缘的切线方向就会飞出一簇簇水珠。上个世纪初，人们预言真空中接近光速运动的电子在磁场中作曲线运动时，由于洛伦兹力所施加的向心加速度的存在，电子也会沿着弯转轨道切线方向发射连续的电磁辐射（也就是X光）；随后在1947年，美国通用电气公司的一名工人在调试70兆电子伏(MeV)的电子同步加速器时意外观察到了这种电磁辐射，由于是在同步加速器上第一次看到这种电磁辐射，因此也就称之为“同步加速器辐射”，简称“同步辐射”。

　　这是雨伞飞出的水珠：

　　　　这是同步辐射装置发出的光，在里面跑圈的是电子：

　　　　而为了让电子能够乖乖在储存环（就是上面那个大环）里跑圈，储存环隧道里有大量的磁铁改变、约束它们的运动方向。

　　　　高能：电子的束流能量决定了发出的同步辐射的光谱范围，电子束流能量越高，同步辐射光谱越往高能端扩展。根据加速器中电子的能量，同步辐射光源可以分为低能量光源、中能量光源、高能量光源三种。

　　02

　　通过光源，我们能得到什么样的光？

　　既然同步辐射光源就是X光机，那跟我们平时接触到的有什么区别？它究竟能看到什么？

　　常规的医用X射线，是利用高电压加速电子，然后让加速后的电子轰击金属靶材（如Cu、Mo、Cr等）来产生的。它的制取成本相对较低，而且在医学成像上有非常好的应用。但由于这种方式获取的X射线分散在各个方向上，而各种实验往往只在一个方向上进行，问题出现了，这种X射线分散在很大角度范围内，在实验所需要的固定方向上亮度不够。

　　小知识

　　亮度：在单位时间、单位面积、单位立体角内通过的一定波长范围的光子数，是更加全面的性能指标。亮度不仅和通量直接相关，而且与电子的发射度密切相关。英文为brightness。X射线作为探测物质结构的探针，其亮度是最为关键的指标。更高的亮度意味着可以在空间、能量、时间等维度上获得更好的分辨能力，同时实验的效率更高，因此，如何获得更高亮度的X射线源一直是科学技术人员孜孜不倦的追求目标。

　　同步辐射光源不同，它的原理是电子在做圆周运动时沿着圆周运动的切线发出X射线，发光的角度范围是非常小的，它的角度有多小呢？

　　常规实验室用X光机是180度发光，它的亮度数量级大概是107～109，而同步辐射光源发光角度只有几个角秒（1度=3600角秒），X射线集中在这样小的角度发出来，它的亮度数量级就可以提升到1022，甚至以上。第三代同步辐射光源的X射线亮度是X光机的百亿到十万亿倍，第四代同步辐射光源又比第三代提高100～1000倍。

　　不但亮度高，同步辐射光还有更多优点：

　　宽波段、连续可调：同步辐射光的能区跨越了从THz、红外到硬X射线宽广的范围,连续可调，可根据需求，使用单色器等光学元件调制获得指定波长的光。

　　高准直，方向性强：光子的发射角与能量有关，能量越高的光子，发射角越小。同步辐射光的发射集中在以电子运动方向为中心的一个很窄的圆锥内，张角非常小，几乎是平行光束，具有高度的准直性，更利于光束长距离的传播和光学接收。

　　高偏振:从偏转磁铁引出的同步辐射光在电子轨道平面上是完全的线偏振光，此外，可以从特殊设计的插入件得到各种偏振状态的光，可用来研究样品中特定参数的取向问题。

　　脉冲结构:?电子在环形轨道中的分布不是连续的，是一团一团的电子束，因此，同步辐射光是脉冲光，有优良的脉冲时间结构，脉冲结构与电子储存环的周长、电子束团的长度有关，是影响实验时间分辨能力的一个主要参数。这种特性对“变化过程”的研究非常有用，如化学反应过程、生命过程、材料结构变化过程和环境污染微观过程等。

　　此外，同步辐射光还具有高度稳定性、高通量、微束径、准相干等独特而优异的性能。

　　　　迄今为止，世界上约70%的已知生物大分子结构：蛋白质、DNA、RNA、核糖体、核小体、病毒等，都是借助同步辐射光了解的。在所有与微观结构有关的领域，如物理学、化学、生命科学和医学、材料科学和工程、能源科学和技术、地球和环境科学、纳米科技等，同步辐射光源都有非常广泛的应用，它是理想的多学科交叉研究平台。

　　　　有人曾这样说：“有这样一束‘光’，能快速看清新冠病毒结构，为科学家快速研制出疫苗和药物提供助力；发现药物如何与靶点发生作用，帮助开发抗肿瘤药物；观察锂离子在电池中如何移动，从而找到提高电池容量和寿命的办法；或是原子级别逐个探测芯片的表面，破解芯片‘卡脖子’难题……”。这句话形象地说出了同步辐射光的作用，不但能用于实验室研究，还可以解决工业生产中真正面临的问题。

　　03

　　HEPS，将填补我国空白

　　一直以来，我国都很重视同步辐射光源的发展建设。迄今，我国大陆地区已经完成了三代同步辐射装置的发展建设。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，运行在2.5GeV，第二代是1990年建成的合肥同步辐射光源，运行在800MeV，第三代则是2009年建成的上海光源，运行在3.5GeV。开放运行以来，各装置孕育了许多重量级的科学研究成果。

　　既然已经有了这么多个同步辐射光源，为何还要建设HEPS？

　　首先，这是亚洲的第一台第四代同步辐射光源。

　　同步辐射光源分四代：第一代是寄生在高能物理装置上的兼用装置，应用于同步辐射研究的性能和时间都会受到限制；第二代是专门设计，用于同步辐射应用的专用光源；第三代是优化低发射度、大量放置插入件的专用光源，以小发散度来提高光源的亮度是第三代同步辐射装置的主要特点；第四代光源则是发射度低至光的衍射极限的储存环光源，普遍采用多弯铁消色散结构，将具有更加优异的亮度和相干性。

　　　　小知识

　　电子发射度：为储存环内电子束尺寸与电子运动方向发散程度的乘积，描述了电子束的横截面大小和电子运动方向的一致性程度。可分为水平和垂直两个方向的发射度，是衡量储存环内电子运动状态一致性的参数。电子束横截面越小，所发出的辐射光通过光学系统聚焦后就有越小的聚焦光斑，电子运动越集中在一个方向上，光学系统的接收孔径就可以越小，聚焦后的光束的发散角也越小。发射度的单位为nm·rad，英文为emittance。

　　目前，世界上仅有3台在运行的、2台在建设中（含HEPS）的第四代同步辐射光源。

　　相比第三代同步辐射光源，第四代同步辐射光源的亮度要高出100—1000倍。要看到物质里的细节，很重要的一点就是要有足够的亮度。比方说，打个手电筒看东西，手电筒越亮，就能看得越清楚。光越亮意味着探测的信噪比越高，精度越高，探测速度也越快。

　　　　第二，这是我国的第一台高能量同步辐射光源。

　　同步辐射应用涉及广泛的射线能区，从红外直至高于100keV的硬X射线。不同电子能量的光源有各自性能最佳的覆盖能区。

　　世界上已有的同步辐射装置的电子能量大致分为三段：一段是0.8-2GeV，主要工作在真空紫外（VUV）和低于20keV的X射线能区；另一段是3GeV左右，主要工作在软X射线和高至40keV的硬X射线能区，在40keV以上，光源的亮度已急剧下降；第三段是5GeV以上的高能环，射线能区可以扩展到100keV以上。

　　　　中低能量的X射线对样品的穿透能力不强，难于深入大块样品表征其内部结构；只能获取样品浅表的信号，难以对样品进行整体评估。40keV以上的高能X射线具有穿透能力较强等优势，利用高能X射线作为探针，对工件内部进行高分辨的探测，就可以给出工件样品内部晶粒、晶界、杂质、缺陷等关键结构信息及演变规律，使对真实工件的高精度微观结构研究成为可能。

　　例如高能射线衍射、高Z元素的谱学、极端条件下的实验、高密度和（或）大尺度样品成像等国家重大需求密切相关的研究，它们需要的是兼具高亮度和高能量的硬X射线，这种硬X射线只能由高能、小发射度的同步辐射光源来提供。

　　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，特别是在真实状态下物质结构的变化过程，还有很大的困难和不足，另外，工业创新能力相关的研究也迫切需要我国建设一台高亮度的高能光源。

　　建成后的HEPS，将是我国第一台高能量同步辐射光源，也是世界上亮度最高的第四代同步辐射光源之一，其储存环加速器的电子束流能量为6GeV，可提供能量达300keV的高能X射线，亮度可比第三代光源高出2-3个数量级（百倍-千倍），也具有更高的分辨率。

　　04

　　世界上有多少个

　　高能量同步辐射光源？

　　半个多世纪的实践证明，同步辐射装置影响科学技术发展的广度和深度是其他任何一种科学装置所无法比拟的。它已经成为众多学科的前沿领域所必不可少的研究手段，并不断产生出激动人心的创新性研究成果。同步辐射光源对科学技术发展的影响力已得到科技界和各国政府的广泛认同和高度重视，其数量持续增长，性能不断提升。

　　目前全世界有50台以上的同步辐射装置在运行，高能量光源是同步辐射光源中的旗舰装置。这种光源提供的光谱能区范围宽，覆盖的学科面广，支撑能力强，特别在工程材料、国家重大需求等方面具有特殊的意义。

　　正在运行的美国先进光子源（APS）、欧洲同步辐射装置（ESRF）、日本SPring-8、德国的PETRA-III为高能量同步辐射光源。其中APS、ESRF、SPring-8三台代表性高能量同步辐射光源发挥着不可替代的作用，引领着同步辐射技术的发展。

　　HEPS建成后，将与前面四个构成世界五大高能量同步辐射光源。

　　　　05

　　HEPS是怎么工作的？

　　HEPS装置主要包括加速器、光束线和实验站3个部分。其加速器由直线加速器、增强器和储存环三台独立的加速器，以及连接彼此间的3条输运线组成。加速的带电粒子为电子。

　　　　位于源头的电子枪产生高品质的电子束，经长约49米的直线加速器将电子束加速到0.5GeV，注入至周长450多米的环形增强器，继续提高能量到额定的6GeV。此时的电子束非常接近光速，然后被注入至更大的圆环——周长约1360米的储存环，以接近光速的速度保持回旋运动。在储存环上的不同位置，电子束通过弯转磁铁或者各种插入件时，会沿着偏转轨道切线方向释放出稳定而且高能量、高亮度的光——同步辐射光。

　　从电子储存环引出的宽频谱、光斑尺寸相对大的同步光，并不能直接给用户使用，需要经过光束线上单色器、聚焦镜等一系列的光学元件对其进行调制，从宽波段的‘白光’里，挑选出波长单一的单色光，并进一步将光斑尺寸聚焦到更小的尺寸，有时还需要从多个相干模式中挑选单一模式，才能输送到实验站，供用户开展更高精度的实验。

　　HEPS建设高性能光束线站的容量不少于90条，首批建设14条面向用户的公共光束线和相应的实验站，可提供纳米空间分辨、皮秒时间分辨、毫电子伏能量分辨的同步光。

　　　　06

　　结语

　　2023年3月14日，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。这意味着HEPS进入科研设备安装、调束并行阶段。

　　　　HEPS建成后将为国家重大需求、前沿研究提供先进的平台，满足大量重大科技项目需求，比如：航空发动机及燃气轮机、脑科学与类脑研究、煤炭清洁高效利用、重点新材料研发及应用……

　　HEPS建设将是推动我国同步辐射装置达到世界先进水平的重要举措，这个高性能的光源能够满足急需的国家重大需求和工业核心创新能力研究的需求，并能够优化我国同步辐射装置的能区、研究领域和地域分布，同时满足急剧增长的科学研究的需求。

　　HEPS的建设过程也将推动国内多个领域技术水平的发展，如中国科学院高能物理研究所副所长，HEPS工程常务副总指挥董宇辉所说：“在建设这个光源的过程中，将有力提升我们国家在精密机械、光学、探测器等技术领域的设计和制造能力。”

　　审核：中国科学院高能物理研究所（潘卫民、董宇辉、李明、焦毅、苏萍、袁广、王晨芳）