近日，關(guān)于北京懷柔綜合國家科學(xué)中心的喜訊不斷傳出。 其中，高能同步輻射光源這個(gè)看起來像“放大鏡”的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，又傳來不少好消息——
▲HEPS項(xiàng)目現(xiàn)場航拍圖
項(xiàng)目開工兩年后，已完成約70%的建筑安裝工作，主環(huán)建筑已揭幕；
磁鐵、電源等設(shè)備的樣機(jī)試制已完成，已進(jìn)入批量加工階段。 光束位置測量電子器件和像素陣列探測器的開發(fā)已取得階段性進(jìn)展。 第一臺(tái)科研設(shè)備電子槍已安裝；
為HEPS提供技術(shù)研發(fā)和測試支撐能力的先進(jìn)光源技術(shù)研發(fā)測試平臺(tái)（PAPS）已投入試運(yùn)行。
今天的“懷柔解碼”，讓我們走近高能同步輻射光源，了解這一重大科技工程的建設(shè)內(nèi)容、應(yīng)用領(lǐng)域和“重任”。
項(xiàng)目狀況
高能同步輻射源（High，HEPS）位于懷柔科學(xué)城北部核心區(qū)。 在國家發(fā)展和改革委員會(huì)的支持和指導(dǎo)下，北京和中國科學(xué)院實(shí)施國家“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展”戰(zhàn)略，建設(shè)懷柔科學(xué)城的重要核心裝置。 ，是國家發(fā)改委“十三五”期間重點(diǎn)建設(shè)的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，為國家重大戰(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)。 項(xiàng)目主要建設(shè)內(nèi)容包括加速器、光束線站及輔助設(shè)??施。 建設(shè)工期6.5年。 工程于2019年6月開工，預(yù)計(jì)2025年12月底完工。
HEPS項(xiàng)目的整體建筑造型就像一個(gè)放大鏡，這意味著它是探測微觀世界的利器。 建設(shè)高性能束線站容量不少于90個(gè)，首期將建設(shè)14個(gè)公共束線站，向工程材料、能源環(huán)境、生物醫(yī)藥、石化等領(lǐng)域用戶開放。
項(xiàng)目特色
HEPS是我國第一個(gè)高能同步輻射光源，也將是世界上最亮的第四代同步輻射光源之一。 其存儲(chǔ)環(huán)加速器電子束能量為6GeV，可提供的高能X射線將有效滿足國家戰(zhàn)略和產(chǎn)業(yè)核心創(chuàng)新相關(guān)研究對(duì)高能、高亮度X射線的迫切需求能力，使得我國同步輻射光源向高能區(qū)域拓展，形成與我國現(xiàn)有光源互補(bǔ)的能源區(qū)域，進(jìn)一步滿足用戶快速增長的需求，確保同步輻射光源有可持續(xù)的支撐我國的科學(xué)研究。
HEPS存儲(chǔ)環(huán)加速器周長約1360.4m，電子束能量為6GeV，亮度高于1×1022 phs/s/mm2/mrad2/0.1%BW。 利用7BA彎鐵消色差結(jié)構(gòu)單元，實(shí)現(xiàn)電子束的水平自然發(fā)射度優(yōu)于60pm·rad，提供高相干性的同步輻射等特性，這也是第四代衍射極限的主要特點(diǎn)光源。
▲HEPS效果圖
▲第三代、第四代同步光源光斑截面對(duì)比
HEPS可以提供??具有高能量、高亮度、高相干性的同步加速器輻射。 具有納米級(jí)的空間分辨率、皮斯級(jí)的時(shí)間分辨率、兆伏級(jí)的能量分辨率，穿透能力強(qiáng)。 使研究真實(shí)工件的高精度顯微組織成為可能，這是高能射線衍射、高Z元素光譜、極端條件下的實(shí)驗(yàn)、高密度和高密度等國家發(fā)展戰(zhàn)略和產(chǎn)業(yè)核心所迫切需要的。 /或大尺寸樣品成像等。相關(guān)研究提供了多維度、實(shí)時(shí)、原位表征平臺(tái)，用于分析工程材料的結(jié)構(gòu)并觀察其演化的整個(gè)周期，為設(shè)計(jì)和控制提供信息的材料。
▲HEPS加速器布置圖
設(shè)備介紹
HEPS主體裝置主要由加速器、光束線和實(shí)驗(yàn)站三部分組成。
NO.1
加速器
加速器是加速帶電粒子并提供同步輻射的裝置。 HEPS裝置加速器由三個(gè)獨(dú)立的加速器組成：直線加速器、增強(qiáng)器和存儲(chǔ)環(huán)，以及連接它們的三個(gè)傳輸線。
HEPS 加速的帶電粒子是電子。 首先回旋加速器是加速帶電粒子的裝置，由源頭的電子槍產(chǎn)生高質(zhì)量的電子束，然后由直線加速器加速到能量為0.5 GeV，并通過低能傳輸線注入增強(qiáng)器。 增強(qiáng)器將0.5GeV電子束加速到額定6GeV，穿過高能傳輸線，然后注入專門為電子發(fā)光而準(zhǔn)備的存儲(chǔ)環(huán)中。
電子束以接近光速的速度在存儲(chǔ)環(huán)的圓形軌道上運(yùn)動(dòng)。 在存儲(chǔ)環(huán)上的不同位置，當(dāng)通過彎曲磁鐵或各種插入物時(shí)，電子束運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化，根據(jù)經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)定律，會(huì)發(fā)射出高質(zhì)量、高能量、高強(qiáng)度的連續(xù)或可調(diào)的電子束。沿偏轉(zhuǎn)軌道切線方向來自彎曲磁體或各種插入物的光譜同步輻射。 這就是為什么同步輻射裝置都是環(huán)形的。
NO.2
光束線
束線沿存儲(chǔ)環(huán)外側(cè)分布，是連接存儲(chǔ)環(huán)與實(shí)驗(yàn)臺(tái)的橋梁。 從電子存儲(chǔ)環(huán)中提取的同步輻射光在光束線上經(jīng)過高精度彎曲、單色儀、聚焦鏡等一系列精密光學(xué)系統(tǒng)。 經(jīng)過光譜、準(zhǔn)直、聚焦等進(jìn)一步處理后，被運(yùn)送到實(shí)驗(yàn)站。
儲(chǔ)物環(huán)發(fā)出的同步光具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：
?光譜寬，同步輻射波長連續(xù)可調(diào)，覆蓋紅外、可見光、紫外和X射線波段。 根據(jù)需要，可以使用單色儀選擇不同波長的光進(jìn)行單色光實(shí)驗(yàn)；
?加速器內(nèi)的電子分布不是連續(xù)的，而是電子束簇在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 因此，產(chǎn)生的同步加速器輻射也是脈沖的并且具有時(shí)間分辨率；
?同步輻射發(fā)散角小，光線幾乎平行。 因此其利用率和分辨率大大提高；
?高亮度，可用于高分辨率實(shí)驗(yàn)。
經(jīng)過處理后，HEPS的同步光具有納米級(jí)的空間分辨率、皮斯級(jí)的時(shí)間分辨率和兆伏級(jí)的能量分辨率。
▲HEPS光束線站布置圖
NO.3
實(shí)驗(yàn)站
各領(lǐng)域的用戶在實(shí)驗(yàn)站使用各種實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)站內(nèi)設(shè)有各類實(shí)驗(yàn)裝置、樣品環(huán)境等實(shí)驗(yàn)設(shè)備。 例如，大型衍射儀可以配備低溫樣品容器，用于研究超導(dǎo)狀態(tài)下材料的電子結(jié)構(gòu)； 例如，可以配備高壓高溫裝置，研究高壓高溫條件下材料的結(jié)構(gòu)。 各領(lǐng)域的用戶攜帶自己的樣品到實(shí)驗(yàn)站，利用同步輻射和實(shí)驗(yàn)站配備的各種儀器來獲取相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
HEPS建設(shè)高性能光束線站的能力不少于90個(gè)。HEPS光束線站基于高亮度、高能量、高相干性的特點(diǎn)，瞄準(zhǔn)國家發(fā)展戰(zhàn)略和科學(xué)前沿發(fā)展，指國際高能同步輻射裝置的光束。 線路車站的設(shè)置還考慮了資金限制、建設(shè)進(jìn)度等具體條件。 經(jīng)過廣泛調(diào)研和多次討論，確定了第一批14條面向用戶的公共束線及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)站。 其中回旋加速器是加速帶電粒子的裝置，11個(gè)束線實(shí)驗(yàn)站位于實(shí)驗(yàn)館大樓內(nèi)，有3條長度超過100米的超長束線。 他們的光束線穿過實(shí)驗(yàn)大廳大樓后，實(shí)驗(yàn)站就建在大廳外面。
▲HEPS一期建設(shè)線路車站清單及布局圖
應(yīng)用領(lǐng)域
每個(gè)HEPS線站都有自己擅長的實(shí)驗(yàn)方法，如可以使用連續(xù)光譜的X射線吸收光譜法、使用高相干性、高通量的生物大分子微晶衍射實(shí)驗(yàn)方法的X射線相干散射實(shí)驗(yàn)方法、 X射線成像實(shí)驗(yàn)方法等超硬技術(shù)及相關(guān)裝備支撐工程材料、催化與能源、生命科學(xué)與生物醫(yī)藥、新材料等國家發(fā)展戰(zhàn)略部署的前沿科學(xué)研究和課題。 在為眾多用戶提供常規(guī)技術(shù)支持的同時(shí)，也將為涉及國家發(fā)展戰(zhàn)略和工業(yè)核心迫切需求的研究提供多維度、實(shí)時(shí)、原位的表征平臺(tái)，以分析工程材料的結(jié)構(gòu)并觀察其性能。它們的進(jìn)化的完整周期。 整個(gè)過程為材料的設(shè)計(jì)和控制提供信息。
由于同步輻射裝置可以為各學(xué)科前沿研究提供重要支撐，建設(shè)以同步輻射裝置為核心的多學(xué)科研究平臺(tái)，形成多學(xué)科、多設(shè)備的聚集效應(yīng)，建設(shè)國家級(jí)大型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 已成為科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的顯著發(fā)展趨勢。 HEPS將與懷柔科學(xué)城建設(shè)的極端條件綜合裝置等其他設(shè)施和平臺(tái)緊密結(jié)合，形成綜合大型裝置集群，有效推動(dòng)國家科技發(fā)展。
社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益
HEPS的建設(shè)是推動(dòng)我國同步輻射光源領(lǐng)域研究走向世界前列的重要舉措。 建成后將為基礎(chǔ)科學(xué)和工程材料領(lǐng)域原創(chuàng)性、突破性創(chuàng)新研究提供重要支撐平臺(tái)，將顯著提升我國科技和產(chǎn)業(yè)能力。 在保持領(lǐng)域原始創(chuàng)新能力的同時(shí)，也將成為我國國際科技合作和基礎(chǔ)科學(xué)研究的重要平臺(tái)。
作為技術(shù)前沿的大型科學(xué)裝置，HEPS的建設(shè)本身將開發(fā)和引進(jìn)多項(xiàng)世界先進(jìn)技術(shù)，也將帶動(dòng)和提升許多相關(guān)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，產(chǎn)生良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
加速器是集高頻、微波、高精度電磁場、穩(wěn)定及脈沖電源、超高真空、高壓、精密機(jī)械、計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制等多種高新技術(shù)于一體的大型設(shè)備。光束線站的建設(shè)將引進(jìn)和發(fā)展世界先進(jìn)的光學(xué)技術(shù)和探測技術(shù)，包括各種形式的單色儀、分析晶體、像素陣列探測器、新型快速電子器件以及海量數(shù)據(jù)傳輸和處理等。 這些技術(shù)在我國的進(jìn)一步開發(fā)和推廣，將極大地提高我國相關(guān)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的水平。
現(xiàn)在
項(xiàng)目正在加速建設(shè)
期待HEPS的第一縷曙光
