最“亮”的光照亮微观世界——探访高能同步辐射光源

 

　　HEPS储存环结构单元工艺安装实验。

 

 

　　HEPS自研分析晶体。

 

 

　　增强器预准直单元预安装准直。

 

 

　　俯瞰高能同步辐射光源全景。（中科院高能所 供图）

 

 

　　装置简介：

 

　　高能同步辐射光源（HEPS）是国家重大科技基础设施建设“十三五”规划布局的大科学工程项目之一，是我国第一台高能同步辐射光源，也是世界上亮度最高的第四代同步辐射光源之一，建成后将成为世界最先进的X射线光子科学研究平台之一，作为探索物质内部结构与变化过程的强有力的科学工具，为基础科学和工程科学等领域原创性、突破性创新研究提供重要支撑。项目由中国科学院高能物理研究所作为法人单位承担建设。

 

　　说起光源，你会想到什么？或许是太阳、电灯，抑或是燃烧着的蜡烛……

 

　　这些光源发出的我们肉眼看得见的光，被称为可见光。不过，在光的大家族中，可见光只是其中很小的一部分，还有无线电波、微波、红外线、紫外线、软X射线、硬X射线、伽马射线等许多肉眼看不见的光。借助这些看得见、看不见的光，人类不断探索着未知世界。

 

　　在北京怀柔科学城，有一个全球最“亮”的光源正在建设之中。如同一个超大号的X光机，它可以“照亮”微观世界，通过对微观结构多维度、实时、原位表征，为物质做“体检”，揭示物质微观结构生成及演化机制。

 

　　它就是我国建设的首台第四代同步辐射光源——高能同步辐射光源（HEPS），也被称为“希望之光”。

 

　　那么，什么是高能同步辐射光源？它到底有多亮，有何特别之处，如何发挥作用？记者带您走近国家重大科技基础设施高能同步辐射光源。

 

　　能量更高、亮度更强——物质内部的微观结构“看”得更清

 

　　从空中俯瞰，高能同步辐射光源由三栋主体建筑构成，整体外形如同一个放大镜，寓意“探测微观世界的利器”。

 

　　其中，综合实验楼和用户服务楼构成“放大镜”的“手柄”，最大的圆环状建筑则是光源装置区域，如同“放大镜”的“镜框”。

 

　　这个“镜框”就是高能同步辐射光源的核心建筑。建成运行后，“最亮的光”便将从这里发出，穿透未知谜团，帮助我们看清那些未曾见过的世界。

 

　　“在这个主体建筑里，分布着电子注入器（直线加速器+增强器）、电子储存环、光束线站等。”HEPS加速器物理系统负责人、中国科学院高能物理研究所研究员焦毅告诉记者。

 

　　它是这样工作的：位于源头的电子枪产生高品质的电子束，经直线加速器将电子束加速到0.5GeV的高能量，注入周长450多米的环形增强器，继续提高能量到额定的6GeV。此时的电子束无限接近光速，然后被注入至更大的圆环——周长1360米的储存环，以接近光速的速度保持运动。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。

 

　　“你可以把HEPS看成一个具有超精密、超快、超穿透能力的巨型X光机，就像我们在医院拍X光片可以穿透衣服、皮肤看清身体的骨肉一样，HEPS产生的小光束可以穿透物质、深入内部进行立体扫描，从分子、原子尺度观察微观世界之中的时空流变。”焦毅告诉记者。

 

　　记者了解到，X射线被视为探测物质结构的探针，其亮度越高，物质内部的微观结构便“看”得越清楚。自一百多年前伦琴发现X射线以来，科学家们不断创新技术，去获取能量更高、亮度更强的X射线。同步辐射光源就是其中一种重要的X射线源。

 

　　据了解，接近光速的带电粒子在做曲线运动时沿切线方向发出的电磁辐射，即为同步辐射光。“就像下雨时，我们快速转动雨伞，沿着雨伞边缘的切线方向会飞出一簇簇水珠。”HEPS工程常务副总指挥、中科院高能所副所长董宇辉解释说，与常规X射线相比，同步辐射光源产生的同步辐射光频谱更宽——覆盖红外光、可见光、紫外光和X射线波段，亮度更高——高出常规X光机产生的X光4至14个量级，可用于高穿透性、高时空分辨的实验，另外相干性和准直性也更好。

 

　　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，第二代是1990年建成的合肥同步辐射光源，第三代则是2009年建成的上海光源。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？

 

　　据介绍，根据加速器中电子的能量，同步辐射光源可以分为低能、中能、高能三种，低能同步辐射光源侧重于功能研究，比如化学反应、超导电性、磁性等；中、高能同步辐射光源侧重于研究结构，可用于观察单晶生长、蛋白质分子结构、航空发动机单晶叶片的结构缺陷等。

 

　　“在HEPS之前，我国同步辐射装置均为中低能区，还没有高能光源。”焦毅告诉记者，HEPS填补了我国高能同步辐射光源的空白，也将是世界上亮度最高的第四代同步辐射光源之一。

 

　　“HEPS储存环中电子能量达6GeV，可提供300keV的高能X射线。作为第四代同步辐射光源，HEPS储存环由48个多弯铁消色散单元构成，电子发射度更低，亮度比第三代光源要高出100倍，是太阳的100万倍。”焦毅介绍，如同在黑暗处使用手电筒照明，手电筒越亮看得越清楚，HEPS可以把X光聚焦到纳米尺度，让我们更清楚地了解物质的内部结构。

 

　　施工难度和工艺要求前所未有——“卡脖子”技术问题被一一破解

 

　　HEPS于2019年6月启动建设，计划2025年建成验收。当前，正处于基建收尾、设备安装并行阶段。

 

　　加速器是HEPS的核心部分，包括直线加速器、增强器和电子储存环。“目前，直线加速器和增强器设备安装基本完成，电子储存环也已经启动安装。”焦毅告诉记者，最近他正忙着为直线加速器的束流调试做准备。

 

　　HEPS加速电子，产生更高亮度、能量和精度的同步光，从而更好地解析微观结构。但让“调皮”的电子抱得更紧，并“听话”地按照预定的轨道高速运动，并不容易。

 

　　“你知道吗？未来，装置投用后，电子束在周长1300多米的储存环中跑一圈只需要4.3微秒，而其运动孔径仅有22毫米，所以任何一点细微的偏差都会导致电子束的损耗，影响同步光的质量。”焦毅告诉记者，HEPS对加速器物理及技术均提出了非常“极限”的要求，施工难度前所未有，工艺要求前所未有。

 

　　焦毅给记者举了一个例子。在储存环建设施工过程中有这样一个指标：储存环在1至100Hz范围内地面振动的均方根位移积分不能超过25纳米。“施工单位负责人当时的第一反应是‘不可能实现’。”

 

　　他们没有因此降低标准。因为超了，实验精度就无法保证。最终，团队创新设计施工，达到了设计指标要求。“后续我们也会不断跟踪，根据加速器物理和光束线站要求，积极采取各种减震措施，确保微振动指标达标。”HEPS工程总指挥、中科院高能所研究员潘卫民说。

 

　　在已经完成主体设备安装的增强器隧道中，一眼望去，记者被许多五颜六色、形状各异的“大家伙”所吸引。“这是磁铁系统，第四代同步辐射光源中最为关键的系统之一，控制着电子的方向。”焦毅介绍，加速器绝大多数能看到的设备都是磁铁。在环形增强器中，仅磁铁就有数百块。而在储存环中，使用的磁铁数量将超过1700块。

 

　　记者了解到，不同颜色的磁铁具有不同的功能。比如，红色的长方体状磁铁是二极铁，可以让电子“转弯”；蓝色的有四个极头的磁铁是四极铁，可以把那些“想往外跑”的电子拉回“正途”、与其他电子抱得更紧；六极、八极磁铁则是为了让电子运行的速度轨迹更加趋于一致。

 

　　“HEPS所使用的磁铁可以说达到了磁铁技术的极限，无论是从技术上，还是加工工艺、安装工艺上。”焦毅说，其加工精度及安装准直误差均为10微米量级。

 

　　同时，光束线站方面的技术攻关也不断取得新突破，比如HEPS首批分析晶体完成在线测试，首台自研镜箱和单色器通过出厂验收等。

 

　　“虽然在硬件设计和工程推进过程中遇到了不少问题和挑战，甚至是‘卡脖子’技术问题，但都在大家的齐心协力下被一一破解。”忆及整个项目团队数年来的艰辛付出，焦毅感慨，他们不断攻坚克难，用实际行动推进科技创新、诠释匠人精神，“只有把关键核心技术牢牢掌握在自己手里，才能真正掌握竞争和发展主动权；只有在所有的细节上做到极致，才能最终得到一个极致的结果。”

 

　　将在先进材料等诸多领域大显身手——为提升我国原始创新能力贡献力量

 

　　在电子储存环之外一墙之隔，是HEPS的实验大厅，各光束线站的位置所在。光束线站是HEPS的主体部分，是HEPS服务用户的客户端，也是科研人员利用光源开展科学研究、产出科研成果的地方。

 

　　隔离墙也十分与众不同。与我们平时见到的平整墙面不同，每隔一段距离，这个隔离墙就会有一个“锯齿”状凸出，“锯齿”上有一个45公分见方的小“窗户”。

 

　　“这是前端区的出光孔，是连接储存环和实验站的‘桥梁’。”HEPS结构动力学线站负责人、中科院高能所副研究员张兵兵告诉记者，未来，同步光将从这个孔射出，根据实验需求经调制后进入实验站供各领域用户开展科学实验。“从加速器引出的宽频谱、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，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，才能供用户开展更高精度的实验。”

 

　　据介绍，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。

 

　　“高能光源可提供能量达300keV的光，意味着穿透金属等工程材料可达毫米，甚至厘米级，比常规中低能光源提高3至4个数量级，改善浅表信号难以评估材料整体性能的困境；空间分辨可达10纳米，保证穿透能力的同时，有效覆盖光学显微镜和电子显微镜之间的空白区；时间分辨达到皮秒量级，1万亿分之一秒，光只能走10根头发丝粗细的距离，可以探测金属3D打印、动态加载等超快时间尺度下的动态不可逆过程。”张兵兵说。

 

　　记者了解到，不同线站都有其擅长的实验方法，可支持先进材料、航空航天、能源、环保、医药等领域前沿科学研究。在为众多用户提供常规技术支撑的同时，还将为国家发展战略和工业核心迫切需求的研究领域提供多维度、实时、原位的表征平台，为工程材料的成分设计、制造工艺优化、缺陷表征、服役性能等提供全寿命周期的结构信息和评价手段。

 

　　“HEPS的光具有高能量、高亮度、高相干等特点，高空间分辨的‘鱼’和高时间分辨的‘熊掌’可以兼得，可以进一步提高实验的信噪比，进一步扩展研究对象到更小的纳米颗粒材料、微细通道的流体力学等。”张兵兵介绍说，比如，可以原位观察单晶的生长过程，揭示单晶叶片缺陷的形成机制和等轴晶—柱状晶转变机理；对工程材料开展全寿命周期多尺度表征，探究材料在制造和服役过程中的失效因素；解释重要蛋白的功能，推动新药发明，等等。

 

　　“简单来说，就是从飞机发动机到病毒蛋白质，未来都能在这里进行‘体检’。”张兵兵介绍说，比如有的工程材料可能存在杂质和断裂等问题，仅凭肉眼很难看清，但通过HEPS就能一下子让问题一览无余。

 

　　创新驱动发展。作为“探测微观世界的利器”，HEPS建成后，将坚持“四个面向”“两加快一努力”，为提高我国在基础前沿和交叉科学领域的原始创新能力和科技综合实力贡献力量。

 

“期待HEPS的第一束光。”焦毅、张兵兵表示。

 

（——中央纪委国家监委网站）