光是人類探索世界的重要工具。說(shuō)起光源，你會(huì)想到什么？自然界中的太陽(yáng)、螢火蟲(chóng)，還是人類發(fā)明的電燈、蠟燭？這些光源發(fā)出的都是我們能夠看得見(jiàn)的可見(jiàn)光，其實(shí)在光的大家族中，還有像無(wú)線電波、微波、紅外線、紫外線、X射線、γ射線等許多肉眼看不見(jiàn)的光。借助這些不同類型的光，人類不斷探索著未知世界。
正在建設(shè)中的“十三五”國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——高能同步輻射光源（HEPS）將能夠發(fā)出全球“最亮的同步光”。近日，高能同步輻射光源的直線加速器滿能量出束，并成功加速第一束電子束，這標(biāo)志著該光源進(jìn)入科研設(shè)備安裝、調(diào)束并行階段。什么是高能同步輻射光源？它將如何發(fā)出“最亮的同步光”？這些光又將如何幫助科學(xué)家探索微觀世界？
在光的大家族中，X射線被視為探測(cè)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探針，所謂高能同步輻射光源，其實(shí)就是一種能夠產(chǎn)生高品質(zhì)X射線的裝置。中科院高能所高能同步輻射光源加速器部副主任焦毅介紹，與醫(yī)學(xué)上用X射線投照人體內(nèi)組織器官的原理相類似，該光源就如同一個(gè)超大號(hào)的X光機(jī)，它可以“照亮”微觀世界，為物質(zhì)內(nèi)部進(jìn)行“體檢”，幫助科學(xué)家“看清”物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)生成及演化機(jī)制。
焦毅：高能同步輻射光源是基于高能電子加速器的一個(gè)X射線光源，它要比咱們平常體驗(yàn)過(guò)的X光機(jī)亮度高幾個(gè)量級(jí)，就像咱們家里的電燈泡和太陽(yáng)的差別。它主要用于基礎(chǔ)研究和前沿技術(shù)的應(yīng)用研究，可以把X射線聚焦成很小的光斑，它的分辨率可以看清楚納米量級(jí)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。
高能同步輻射光源直線加速器隧道內(nèi)
那么，高能同步輻射光源如何發(fā)出“最亮的同步光”？光又是從哪來(lái)的？焦毅介紹，高能同步輻射光源主裝置主要包括加速器、光束線和實(shí)驗(yàn)站三個(gè)部分，而加速器又由直線加速器、增強(qiáng)器和儲(chǔ)存環(huán)三部分構(gòu)成。位于源頭的電子槍產(chǎn)生高品質(zhì)的電子束，經(jīng)過(guò)直線加速器和增強(qiáng)器的加速助力，電子束將無(wú)限接近光速，然后被注入儲(chǔ)存環(huán)，以接近光速的速度保持運(yùn)動(dòng)，最終釋放出穩(wěn)定而且高能量、高亮度的光——同步輻射光。
此次成功加速第一束電子束的直線加速器長(zhǎng)約49米，是電子的源頭和第一級(jí)加速器，如果把電子在加速器里面的運(yùn)動(dòng)比作太空之旅，那么直線加速器的功能就相當(dāng)于第一級(jí)火箭點(diǎn)火，是解決高能電子“從無(wú)到有”的關(guān)鍵一環(huán)。
焦毅：首先它有一個(gè)電子槍，可以把它想象成一把機(jī)關(guān)槍，它在突突地往外吐“炮彈”，這個(gè)“炮彈”就是電子束。這次一方面是直線加速器滿能量出束，束流能量達(dá)到500兆電子伏特，另一方面是它的電荷量到了2.5納庫(kù)以上。所以這個(gè)束團(tuán)里面大概有10的10次方電子，同時(shí)發(fā)光需要的電子足夠多，它的光也會(huì)足夠亮、足夠強(qiáng)。直線加速器的調(diào)束其實(shí)是整個(gè)光源工程的節(jié)點(diǎn)，它的啟動(dòng)表明我們過(guò)往的這些技術(shù)、安裝、基建、硬件的設(shè)計(jì)，包括測(cè)試和聯(lián)調(diào)，性能都是很好的，達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)。
高能同步輻射光源直線加速器能譜靶截圖
高能同步輻射光源于2019年6月啟動(dòng)建設(shè)，計(jì)劃于2025年建成。建成后，它將是世界上亮度最高的第四代同步輻射光源之一，也將是中國(guó)第一臺(tái)高能量同步輻射光源。實(shí)際上，我國(guó)一直以來(lái)都十分重視同步輻射光源的發(fā)展建設(shè)，從依托北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的北京同步輻射裝置，到合肥同步輻射光源，再到上海光源，我國(guó)已經(jīng)完成了三代同步輻射裝置的建設(shè)，孕育了許多重量級(jí)的科學(xué)研究成果。既然已經(jīng)有了這些同步輻射光源，為何還要建設(shè)高能同步輻射光源？焦毅解釋，同步輻射光源可以分為低能、中能、高能三種，它們的功能各有側(cè)重。
焦毅：新一代光源相比于我們已經(jīng)非常先進(jìn)的上海光源，它的亮度要提高大概1至2個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)于實(shí)驗(yàn)效率會(huì)有提升，還可以推進(jìn)形成新的實(shí)驗(yàn)方法，一些相關(guān)領(lǐng)域的研究就可以取得從“0”到“1”的重大突破。在此之前我國(guó)建的所有光源都是中低能區(qū)的光源，比如中能光源，它可以涵蓋大部分光子X(jué)射線的能區(qū)。但是高能光源能量高、性能好，特別是在硬X射線，也就是波長(zhǎng)比較短的X射線波段性能無(wú)與倫比。這對(duì)于滿足我國(guó)前沿研究的不同需求，可以形成能區(qū)全覆蓋。
除了和我國(guó)現(xiàn)有的光源形成能區(qū)互補(bǔ)，亮度更高的光源，也可以使科學(xué)家探索微觀世界的能力更強(qiáng)。焦毅說(shuō)，建成后的高能同步輻射光源可以應(yīng)用于先進(jìn)材料、航空航天、能源、醫(yī)藥、環(huán)保、生物工程、微細(xì)加工等眾多領(lǐng)域，對(duì)提升我國(guó)前沿基礎(chǔ)科學(xué)、高技術(shù)領(lǐng)域的原始創(chuàng)新能力具有重要意義。
焦毅：比如航空航天領(lǐng)域，有些材料重量又輕，功能又復(fù)合，還需要很堅(jiān)韌。有時(shí)候我們看材料外面已經(jīng)做得非常好了，想要看材料內(nèi)部有沒(méi)有氣泡，就可以通過(guò)X射線穿透力強(qiáng)的特點(diǎn)看到這個(gè)材料內(nèi)部是否有瑕疵，會(huì)有助于相關(guān)材料工藝、技術(shù)不斷地改進(jìn)，滿足航空航天的要求。再比如病毒，它的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)用肉眼和顯微鏡其實(shí)都看不到，但可以用X射線把病毒的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析出來(lái)，我們就可以開(kāi)發(fā)對(duì)癥的藥物。
此次高能同步輻射光源直線加速器滿能量出束，成功加速第一束電子束，標(biāo)志著該光源進(jìn)入科研設(shè)備安裝、調(diào)束并行階段。焦毅介紹，下一步團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)優(yōu)化直線加速器的電子束品質(zhì)，并著手調(diào)試增強(qiáng)器的相關(guān)設(shè)備，爭(zhēng)取在今年內(nèi)實(shí)現(xiàn)將電子加速至6千兆電子伏特。
焦毅：我們下一個(gè)挑戰(zhàn)是要把增強(qiáng)器調(diào)束成功，更大的難題是儲(chǔ)存環(huán)。大概一個(gè)月之前，我們已經(jīng)啟動(dòng)了儲(chǔ)存環(huán)隧道設(shè)備的集成安裝，我們希望今年年底，能夠把儲(chǔ)存環(huán)的設(shè)備安裝完畢。安裝完畢之后，各個(gè)設(shè)備、各個(gè)技術(shù)系統(tǒng)之間需要進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，之后會(huì)啟動(dòng)它的束流調(diào)試?，F(xiàn)在我們的“萬(wàn)里長(zhǎng)征”只走了第一步，但是這一步走得很堅(jiān)實(shí)，讓我們對(duì)開(kāi)展后面這些工作有了很大的信心。
引自中國(guó)之聲2023.3.16版 原地址 https://content-static.cctvnews.cctv.com/snow-book/index.html?toc_style_id=feeds_default&share_to=wechat_timeline&item_id=7240334823021691794&track_id=A1E3AE45-17F0-4FD6-B243-F9BCD7E7C377_700656255688
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