高能同步輻射光源整體建筑效果圖。圖片由中科院高能所提供

HEPS裝置結(jié)構(gòu)示意圖 圖片由中科院高能所提供

　　從空中俯瞰，位于北京懷柔科學(xué)城的高能同步輻射光源（HEPS）整體建筑形似一個(gè)放大鏡，寓意為探測微觀世界的利器。HEPS是國家“十三五”重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，由國家發(fā)展改革委立項(xiàng)支持、中國科學(xué)院高能物理研究所承擔(dān)建設(shè)。它是我國第一臺(tái)高能量同步輻射光源，也是世界上亮度最高的第四代同步輻射光源之一。日前，HEPS成功安裝了首臺(tái)科研設(shè)備，為其提供技術(shù)研發(fā)與測試支撐能力的先進(jìn)光源技術(shù)研發(fā)與測試平臺(tái)（PAPS）同期轉(zhuǎn)入試運(yùn)行。這意味著，HEPS將逐漸轉(zhuǎn)入科研設(shè)備安裝和調(diào)試階段，建成后，將為基礎(chǔ)科學(xué)和工程科學(xué)等領(lǐng)域原創(chuàng)性、突破性創(chuàng)新研究提供重要支撐平臺(tái)。

　　強(qiáng)大的物質(zhì)結(jié)構(gòu)探針

　　X射線作為探測物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探針，其光源亮度是最為關(guān)鍵的指標(biāo)——更高的亮度意味著可以在空間、能量、時(shí)間等維度上獲得更好的分辨能力和更高的實(shí)驗(yàn)效率，也就是說，能將物質(zhì)內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)“看”得更清楚。因此，獲得更高亮度的X射線源一直是科學(xué)技術(shù)人員孜孜不倦追求的目標(biāo)。由倫琴發(fā)現(xiàn)X射線所使用的裝置發(fā)展起來的固定靶、轉(zhuǎn)靶X光機(jī)，已經(jīng)為X射線的應(yīng)用立下了汗馬功勞，如今仍在實(shí)驗(yàn)室中使用。但是，這類儀器的亮度有一個(gè)無法逾越的“天花板”。

　　同可見光和X光一樣，同步輻射光本質(zhì)上也是一種電磁輻射。根據(jù)電動(dòng)力學(xué)定理，自由電子在做變速運(yùn)動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生電磁輻射，包括：電子運(yùn)動(dòng)速率發(fā)生變化時(shí)，在運(yùn)動(dòng)前向產(chǎn)生的軔致輻射；電子運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變時(shí)，在運(yùn)動(dòng)切線方向產(chǎn)生的同步輻射。同步輻射就是由以接近光速運(yùn)動(dòng)的電子在磁場中做曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的電磁輻射。由于這種輻射是1947年在電子同步加速器上觀測到的，因而被命名為“同步輻射”。

　　與常規(guī)X射線相比，同步輻射光源產(chǎn)生的同步輻射光具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：頻譜寬，同步輻射光波長連續(xù)可調(diào)，覆蓋紅外、可見光、紫外和X射線波段，可根據(jù)需要，利用單色器選取不同波長的光，進(jìn)行單色光實(shí)驗(yàn)；加速器中的電子分布不是連續(xù)的，而是一團(tuán)一團(tuán)的電子束在做回旋運(yùn)動(dòng)，因此，產(chǎn)生的同步輻射也是脈沖的，具有時(shí)間分辨；同步輻射的發(fā)散角小，光線幾乎是平行的，因此，其利用率和分辨率均大幅提高；亮度大，與常規(guī)X光機(jī)產(chǎn)生的X光相比，同步輻射光的亮度高出約4-14個(gè)量級(jí)，可用于高分辨的實(shí)驗(yàn)。

　　回顧科學(xué)發(fā)展歷史，同步輻射光源對(duì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的廣度和深度有不可比擬的影響，已經(jīng)成為科學(xué)研究最為有力的支撐平臺(tái)之一。所有的電磁波探針實(shí)驗(yàn)技術(shù)，從紅外、可見光、真空紫外、軟X射線直到硬X射線的波段，同步輻射裝置都可以為實(shí)驗(yàn)提供高性能的光源。研究者可以通過使用各類與同步輻射相關(guān)的技術(shù)手段，探測樣品的原子、電子、聲子、磁性等結(jié)構(gòu)，并且可以在各種外加條件（如高/低溫、高壓、強(qiáng)磁場、強(qiáng)電場、腐蝕性環(huán)境）下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不僅可以探測體相的結(jié)構(gòu)，也可以探測表面、界面的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。由于同步輻射具有很高的光亮度和光通量，在同步輻射上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)室光源無法企及的效率和精度，并且有大量的實(shí)驗(yàn)手段只有在同步輻射研究設(shè)施里才可能實(shí)現(xiàn)。迄今為止，在同步輻射上開展的研究已經(jīng)獲得了5次諾貝爾獎(jiǎng)。

　　除了在基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域，同步輻射還在工業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮重要作用?，F(xiàn)今的工業(yè)已經(jīng)不再是單純依靠產(chǎn)能或是數(shù)量取勝的時(shí)代，科技創(chuàng)新是引領(lǐng)工業(yè)發(fā)展的引擎。同步輻射裝置所涉及的綜合性的強(qiáng)大實(shí)驗(yàn)、研究能力，可以把多種學(xué)科、不同的實(shí)驗(yàn)方法匯集在一起，針對(duì)工業(yè)應(yīng)用中的多種問題開展多方面的研究，形成工業(yè)創(chuàng)新的源頭。在世界上幾個(gè)大型同步輻射裝置中，來自工業(yè)研發(fā)部門的用戶大致占用戶比例的7%～9%，并有逐年增加的趨勢(shì)，有一些企業(yè)甚至在光源里中建有自己專用的線站。

　　這種強(qiáng)大的支撐能力，使得世界各國都先后加大對(duì)同步輻射研究設(shè)施的建設(shè)投入，使同步輻射成為世界上數(shù)目最多的大科學(xué)裝置。同時(shí)，伴隨著基礎(chǔ)科學(xué)、國家需求的不斷發(fā)展和時(shí)間的推移，新建的同步輻射裝置性能也逐漸提高。

　　四代發(fā)展史，更高更強(qiáng)的追求

　　同步輻射光源自1947年誕生以來，隨著研究深度及范圍的擴(kuò)展，經(jīng)歷了四代發(fā)展階段：

　　第一代同步輻射光源寄生于用于高能物理實(shí)驗(yàn)的對(duì)撞機(jī)，由于同步輻射實(shí)驗(yàn)的要求與高能物理實(shí)驗(yàn)的要求并不一致，因此，第一代同步輻射光源應(yīng)用于同步輻射研究的性能和時(shí)間都受到限制。

　　第二代同步輻射光源的儲(chǔ)存環(huán)是為同步輻射研究專門建立的，使用了少量的插入件，加速器的設(shè)計(jì)也是以優(yōu)化同步輻射光性能為基礎(chǔ)。

　　第三代同步輻射光源是基于發(fā)射性能更高的同步輻射光設(shè)計(jì)的。除了利用彎鐵外，第三代同步輻射裝置還注重在更多的直線段中安裝周期性磁場的磁鐵部件（這些部件稱為插入件），以得到性能更好的同步輻射光。

　　第四代同步輻射光源則是極低發(fā)射度的儲(chǔ)存環(huán)光源。隨著瑞典的MAX IV等低發(fā)射度儲(chǔ)存環(huán)光源的成功，這一技術(shù)逐漸被公認(rèn)為環(huán)形同步輻射光源的發(fā)展方向。采用新的加速器結(jié)構(gòu)獲得極低發(fā)射度，在束線設(shè)計(jì)中考慮X射線的相干性，是第四代同步輻射光源的特點(diǎn)，其更加優(yōu)異的亮度和相干性，也使得系列全新的實(shí)驗(yàn)方法得以實(shí)現(xiàn)。

　　迄今，世界上有50多臺(tái)同步輻射光源運(yùn)行在23個(gè)國家和地區(qū)。于20世紀(jì)90年代相繼建成的歐洲同步輻射裝置ESRF、美國先進(jìn)光子源APS和日本超級(jí)光子環(huán)SPring-8等第三代同步輻射光源，其電子發(fā)射度在3nm·rad左右，目前仍是同步輻射設(shè)施的主力，顯示出了這類大型裝置的長久生命力。

　　同時(shí)，新的裝置還在不斷建設(shè)中，目前同步輻射裝置是數(shù)量最多、支撐學(xué)科范圍最廣的大科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)施。上文提到的第四代同步輻射光源——瑞典MAX IV光源使用新的加速器設(shè)計(jì)，即多彎轉(zhuǎn)磁鐵消色散（MBA，目前主流的設(shè)計(jì)為7彎鐵結(jié)構(gòu)，即7BA）的光源正逐步成為未來同步輻射光源建設(shè)的潮流，這種MBA結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可以使儲(chǔ)存環(huán)的電子發(fā)射度降低到0.1nm·rad以下，比早期的第三代光源的亮度至少提高2個(gè)數(shù)量級(jí)。這個(gè)長足的進(jìn)步可以使同步輻射的相干性變好，保證實(shí)驗(yàn)的分辨能大幅度提升，可以促使一大批新興的實(shí)驗(yàn)技術(shù)開展，帶來各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域研究的新機(jī)遇。

　　我國大陸和臺(tái)灣地區(qū)現(xiàn)有5臺(tái)同步輻射裝置：北京同步輻射裝置（BSRF）、合肥同步輻射光源（HLS）、上海光源（SSRF）、臺(tái)灣光源（TLS）、臺(tái)灣光子源（TPS），都處于中、低能區(qū)，光譜亮度在大于40keV能量的硬X射線波段與國際上的先進(jìn)高能光源存在著明顯的差距。

　　1989年建成的北京同步輻射裝置是依托于北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的第一代同步輻射裝置，運(yùn)行在2.5GeV，有14條光束線和15個(gè)實(shí)驗(yàn)站，覆蓋波段較廣，從真空紫外到硬X射線。由于是兼用光源，每年只有約2000小時(shí)同步輻射專用機(jī)時(shí)，利用上受到很大限制。北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)重大改造工程（BEPCII）完成后，大部分束線可以在對(duì)撞模式下兼用運(yùn)行，機(jī)時(shí)緊缺的問題得到了一定程度的改善。

　　1990年建成的合肥同步輻射光源是束流能量為800MeV的第二代同步輻射光源，有14條光束線、14個(gè)實(shí)驗(yàn)站，主要工作在真空紫外和軟X波段。

　　與國際狀況類似，北京同步輻射裝置和合肥同步輻射光源上的科學(xué)研究也非?；钴S。兩個(gè)裝置每年接待上千用戶，開展600個(gè)左右科學(xué)實(shí)驗(yàn)，發(fā)表數(shù)百篇論文。近年來，隨著光源性能和用戶科研水平的提升，陸續(xù)產(chǎn)生一些具有較大國際影響的成果。但遺憾的是，北京同步輻射裝置和合肥同步輻射光源的性能和提供的機(jī)時(shí)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足用戶需求。

　　2009年建成的3.5GeV的上海光源為中能第三代同步輻射裝置。目前已有16條光束線站投入運(yùn)行，并已成為我國先進(jìn)光源的主力。為進(jìn)一步提高上海光源的技術(shù)和科研支撐能力，2016年11月上海光源線站工程啟動(dòng)建設(shè)，新建16條性能先進(jìn)的光束線站和實(shí)驗(yàn)輔助系統(tǒng)。

　　臺(tái)灣已有的1.5GeV的第三代同步輻射光源TLS于1994年投入運(yùn)行。根據(jù)臺(tái)灣同步輻射應(yīng)用發(fā)展的需要，2004年確定了建設(shè)更為先進(jìn)的3GeV第三代同步輻射裝置TPS的計(jì)劃。TPS已于2010年動(dòng)工，于2015年建成，其亮度達(dá)到1021phs/mm2/mrad2/s/0.1%BW，被稱為“亞洲最亮的3GeV同步輻射光源”。

　　我國現(xiàn)有的同步輻射裝置在培養(yǎng)國內(nèi)的同步輻射用戶隊(duì)伍上起到了重要的作用，并且支撐了國內(nèi)基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展，尤其是上海光源在凝聚態(tài)物理、化學(xué)以及結(jié)構(gòu)生物學(xué)上起到了很重要的支撐作用，大幅度提升了上述學(xué)科的水平。

　　HEPS，為國家需求和前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究而生

　　40keV以上的高能X射線具有穿透能力較強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，使對(duì)真實(shí)工件的高精度微觀結(jié)構(gòu)研究成為可能，例如高能射線衍射、高Z元素的譜學(xué)、極端條件下的實(shí)驗(yàn)、高密度和（或）大尺度樣品成像等國家重大需求密切相關(guān)的研究。它們需要的是兼具高亮度和高能量的硬X射線，這種硬X射線只能由高能、小發(fā)射度的同步輻射光源來提供。

　　HEPS是我國第一臺(tái)高能量同步輻射光源，也將是世界上亮度最高的第四代同步輻射光源之一。其儲(chǔ)存環(huán)加速器的電子束流能量為6GeV，可提供300keV的高能X射線，將有效滿足國家戰(zhàn)略和工業(yè)核心創(chuàng)新能力等相關(guān)研究對(duì)高能量、高亮度的X射線的迫切需求，使得我國的同步輻射光源向高能區(qū)擴(kuò)展，和我國現(xiàn)有的光源形成能區(qū)互補(bǔ)，進(jìn)一步滿足用戶迅速增長的需求，保證同步輻射光源對(duì)我國科學(xué)研究具有可持續(xù)的支撐能力。

　　HEPS主裝置主要包括加速器、光束線和實(shí)驗(yàn)站3個(gè)部分。其加速器由直線加速器、增強(qiáng)器和儲(chǔ)存環(huán)三臺(tái)獨(dú)立的加速器，以及連接彼此間的3條輸運(yùn)線組成。加速的帶電粒子為電子，首先由源頭的電子槍產(chǎn)生高品質(zhì)的電子束，再由直線加速器將電子加速到0.5GeV的能量。增強(qiáng)器將0.5GeV的電子束加速到額定的6GeV。達(dá)到6GeV的電子束團(tuán)由增強(qiáng)器環(huán)里引出，再注入專門為電子發(fā)光準(zhǔn)備的儲(chǔ)存環(huán)中。

　　電子束團(tuán)在儲(chǔ)存環(huán)的環(huán)形軌道中以接近光速的速度，在儲(chǔ)存環(huán)上的不同位置，通過彎轉(zhuǎn)磁鐵或者各種插入件時(shí)，按照經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的法則，會(huì)沿著偏轉(zhuǎn)軌道切線方向，從彎轉(zhuǎn)磁鐵或者各種插入件發(fā)射高品質(zhì)、高能量、高強(qiáng)度的連續(xù)或可調(diào)光譜的同步輻射光。這也就是為什么同步輻射裝置都是環(huán)形的原因。HEPS儲(chǔ)存環(huán)加速器由48個(gè)周期的結(jié)構(gòu)單元（7BA消色散結(jié)構(gòu)）構(gòu)成。HEPS可利用儲(chǔ)存環(huán)7BA單元節(jié)中間部分的縱向梯度二極磁鐵，產(chǎn)生寬譜同步輻射光，滿足傳統(tǒng)科研領(lǐng)域用戶需求。另外，每個(gè)7BA周期單元之間還有一個(gè)6米長的直線節(jié)，除部分單元的直線節(jié)用于安裝電子束流注入引出系統(tǒng)、高頻系統(tǒng)，大部分單元的直線節(jié)都用于安裝不同類型的先進(jìn)插入件，以引出高性能同步光。通過合理優(yōu)化設(shè)計(jì)插入件，可產(chǎn)生高于1×1022phs/(mm2·mrad2·0.1%BW)量級(jí)的世界最高亮度的、能量高達(dá)300keV的同步輻射光。

　　從電子儲(chǔ)存環(huán)引出的同步輻射光，經(jīng)光束線上的高精度壓彎、單色器、聚焦鏡等一系列精密光學(xué)系統(tǒng)分光、準(zhǔn)直、聚焦等再加工后，HEPS可提供nm空間分辨、ps時(shí)間分辨、meV能量分辨的同步光。

　　各領(lǐng)域的用戶在實(shí)驗(yàn)站利用各種實(shí)驗(yàn)儀器開展各自的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。HEPS建設(shè)高性能光束線站的容量不少于90條，根據(jù)高亮度、高能量、高相干性等特點(diǎn)，HEPS光束線站瞄準(zhǔn)國家發(fā)展戰(zhàn)略和科學(xué)前沿發(fā)展，參考國際上高能量同步輻射裝置光束線站的設(shè)置，同時(shí)也考慮經(jīng)費(fèi)限制和建設(shè)工期等具體情況，在廣泛調(diào)研和多次研討的基礎(chǔ)上，確定了首批建設(shè)14條面向用戶的公共光束線和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)站。其中，11條束線的實(shí)驗(yàn)站位于實(shí)驗(yàn)大廳建筑內(nèi)，有3條100米以上的超長光束線，其光束線穿越實(shí)驗(yàn)大廳建筑后，在大廳外面建設(shè)實(shí)驗(yàn)站。

　　各線站有其擅長的實(shí)驗(yàn)方法，比如有可利用連續(xù)光譜的X射線吸收譜學(xué)、利用高相干性的X射線相干散射實(shí)驗(yàn)法、高通量生物大分子微晶衍射實(shí)驗(yàn)法、超硬X射線成像實(shí)驗(yàn)方法等的技術(shù)和相關(guān)設(shè)備，支持工程材料、催化與能源、生命科學(xué)與生物醫(yī)學(xué)、新材料等前沿科學(xué)研究和國家發(fā)展戰(zhàn)略中部署的課題。在為眾多用戶提供常規(guī)技術(shù)支撐的同時(shí)，還將為國家發(fā)展戰(zhàn)略和工業(yè)核心迫切需求的相關(guān)研究，提供多維度、實(shí)時(shí)、原位的表征平臺(tái)，解析工程材料的結(jié)構(gòu)、觀察其演化的全周期全過程，為材料的設(shè)計(jì)、調(diào)控提供信息。

　　HEPS建成后，將參照相關(guān)的運(yùn)行規(guī)范和已有光源的開放共享經(jīng)驗(yàn)，全天時(shí)運(yùn)行，按照“開放合作、資源共享”的原則，面向多用戶、多領(lǐng)域開放，相關(guān)院校用戶可根據(jù)需求，選擇相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)線站申請(qǐng)機(jī)時(shí)。

　　由于同步輻射裝置能夠?qū)Ω鲗W(xué)科的前沿研究提供重要的支撐，以同步輻射裝置為核心，建設(shè)多學(xué)科的研究平臺(tái)，形成多學(xué)科的、多種裝置的聚集效應(yīng)，打造大型的國家級(jí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也已成為大科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)。美國能源部下屬的ANL，BNL，LBNL等實(shí)驗(yàn)室就是一類以同步輻射裝置為核心的綜合研究平臺(tái)；歐洲ESRF周邊也聚集了EMBL、中子源、強(qiáng)磁場研究中心等設(shè)施，形成了集群效應(yīng)；在英國，以Diamond同步輻射光源為核心的Harwell園區(qū)也采用同樣的理念進(jìn)行設(shè)計(jì)，還有日本的SPring-8光源也一樣聚集了大量的企業(yè)及科研設(shè)施。

　　HEPS的建設(shè)也考慮到了這一情況——它位于懷柔科學(xué)城北部核心區(qū)，是懷柔大裝置集群中的核心裝置，它的設(shè)計(jì)壽命為30年，建成后還會(huì)不斷升級(jí)改造，預(yù)期工作壽命在50年或更長。

　　作為大裝置集群核心裝置，HEPS將與懷柔科學(xué)城內(nèi)建設(shè)的綜合極端條件裝置等其他設(shè)施和平臺(tái)緊密結(jié)合，形成一個(gè)高端的綜合性大裝置集群，為國家的重大戰(zhàn)略需求和前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究提供技術(shù)支撐平臺(tái)，推進(jìn)國家科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。

　 （作者：董宇輝，系中國科學(xué)院高能物理研究所副所長、研究員，苑夢(mèng)堯，系該所高級(jí)工程師）

　　同步輻射裝置有沒有輻射安全問題？

　  同步輻射光屬于電離輻射，會(huì)破壞人體的一些組織結(jié)構(gòu)，公眾應(yīng)盡量少接觸或者避免暴露于其中。但大家無需恐慌。一般來說，同步輻射裝置均利用重混凝土墻、一定厚度的鉛墻等一系列防護(hù)措施，來隔離并吸收釋放的電磁輻射，所以在同步輻射裝置正常運(yùn)行時(shí)，裝置產(chǎn)生的輻射劑量對(duì)外界環(huán)境的影響是微乎其微的，可忽略不計(jì)。

　　HEPS正常運(yùn)行情況下，裝置附近居民一年所受的輻射劑量約等于乘坐飛機(jī)15分鐘的輻射量；而同步輻射裝置產(chǎn)生的輻射是瞬發(fā)性的，只要加速器一停機(jī)，輻射場即消失。

　　所以，住在同步輻射光源附近的居民完全可以放心。如果在同步輻射光源進(jìn)行工作實(shí)驗(yàn)或者參觀同步輻射裝置時(shí)，只要遵循工作人員的引導(dǎo)，完全不必?fù)?dān)心輻射安全問題。

（源自《光明日?qǐng)?bào)》2021年07月08日16版 原地址：https://epaper.gmw.cn/gmrb/html/2021-07/08/nw.D110000gmrb_20210708_1-16.htm）