作者：董宇輝（中國科學院高能物理研究所副所長、研究員） 袁夢瑤（研究所高級工程師）
從空中俯瞰，位于北京懷柔科學城的高能同步輻射源（HEPS）的整體建筑就像一個放大鏡，寓意著它是探測微觀世界的利器。 HEPS是國家“十三五”規劃的重大科技基礎設施。 由國家發展和改革委員會支持，中國科學院高能物理研究所承建。 它是我國第一個高能同步輻射光源，也是世界上最亮的第四代同步輻射光源之一。 近日，HEPS首臺科研設備順利安裝，提供技術研發和測試支撐能力的先進光源技術研發測試平臺（PAPS）同時進入試運行。 這意味著HEPS將逐步進入科研設備安裝調試階段。 建成后將為基礎科學和工程科學領域原創性、突破性創新研究提供重要支撐平臺。
高能同步輻射光源整體建筑效果圖。圖片由中國科學院高能研究所提供
強大的物質結構探測
作為探測物質結構的探針，X射線光源亮度是最關鍵的指標——更高的亮度意味著在空間、能量、時間等維度上有更好的分辨率和更高的實驗效率，也就是說，可以更清楚地“看到”物質內部的微觀結構。 因此，獲得更高亮度的X射線源一直是科技人員孜孜不倦追求的目標。 由倫琴發現X射線的裝置發展而來的固定靶和旋轉靶X射線機，為X射線的應用做出了巨大貢獻，至今仍在實驗室中使用。 然而，此類儀器的亮度存在著難以逾越的“天花板”。
中國科學院高能研究所提供的HEPS裝置結構示意圖
與可見光和 X 射線一樣，同步加速器輻射本質上是電磁輻射的一種。 根據電動力學定理，自由電子在變速運動時會產生電磁輻射，包括：電子運動速度變化時向前運動方向產生的軔致輻射； 當電子運動方向改變時，在運動切線方向產生軔致輻射。 同步加速器輻射。 同步加速器輻射是當電子以接近光速運動在磁場中進行曲線運動時產生的電磁輻射。 由于這種輻射于1947年在電子同步加速器中觀測到，因此被命名為“同步加速器輻射”。
與常規X射線相比回旋加速器是加速帶電粒子的裝置，同步輻射源產生的同步輻射光具有獨特的優點：光譜寬，同步輻射光波長連續可調，覆蓋紅外、可見光、紫外和X射線波段，單色儀可以根據需要選擇不同波長的光進行單色光實驗； 加速器中的電子分布不是連續的，而是電子束簇進行旋轉運動。 因此，產生的同步加速器輻射也是脈沖的并且具有時間分辨率； 同步輻射的發散角小，光線幾乎平行。 因此，其利用率和分辨率都大大提高。 亮度高。 與傳統X射線機產生的X射線相比，同步加速器輻射的亮度大約高4-14倍。 數量級，可用于高分辨率實驗。
回顧科學發展史，同步輻射光源對科學技術發展的廣度和深度產生了無可比擬的影響，成為科學研究最有力的支撐平臺之一。 對于所有電磁波探針實驗技術，從紅外、可見光、真空紫外、軟X射線到硬X射線波段，同步輻射裝置都能為實驗提供高性能光源。 研究人員可以利用與同步輻射相關的各種技術手段來探測樣品的原子、電子、聲子、磁性等結構，并可以在各種外部條件（如在高低溫、高壓、強磁場、強電場、腐蝕環境下進行的實驗不僅可以檢測體相的結構，而且由于亮度高，還可以檢測表面和界面的結構細節。同步輻射的實驗可以達到實驗室光源無法達到的效率和精度，并且有大量的實驗方法只能在同步輻射研究設施中實現。輻射已導致五位諾貝爾獎獲得者。
除了基礎科學研究外，同步輻射在工業應用中也發揮著重要作用。 當今的工業已經不再是一個單純依靠產能或數量的時代。 技術創新是引領產業發展的引擎。 同步輻射裝置涉及的全面而強大的實驗研究能力，可以匯集多學科、不同實驗方法，對工業應用中的各種問題進行多方位的研究，形成產業創新的源泉。 在全球幾座大型同步輻射裝置中，來自工業研發部門的用戶大約占用戶的7%~9%，并且有逐年增加的趨勢。 有的公司甚至有自己的光源專線站。 。
這種強大的支撐能力帶動了世界各國加大對同步輻射研究設施建設的投入，使同步輻射成為世界上數量最多的大型科學裝置。 同時，隨著基礎科學的不斷發展、國家的需求和時間的推移，新建的同步輻射裝置的性能也逐漸提高。
四代發展史，更高更強的追求
自1947年同步輻射誕生以來，隨著研究深度和范圍的擴大，它已經歷了四代發展階段：
第一代同步輻射光源寄生在用于高能物理實驗的對撞機上。 由于同步輻射實驗的要求與高能物理實驗的要求不符合，導致同步輻射研究中使用的第一代同步輻射光源的性能和時間受到限制。 皆受限制。
第二代同步輻射源的存儲環是專門為同步輻射研究而打造的，使用了少量的嵌件，加速器設計也是基于優化同步輻射光性能。
第三代同步輻射光源是在具有更高發射性能的同步輻射光的基礎上設計的。 除了使用彎鐵外，第三代同步輻射裝置還重點在更多的直線段中安裝具有周期性磁場的磁體組件（這些組件稱為插入件），以獲得性能更好的同步輻射光。
第四代同步輻射光源是發射率極低的存儲環形光源。 隨著瑞典MAXIV等低發射存儲環形光源的成功，該技術逐漸被公認為環形同步輻射光源的發展方向。 采用新型加速器結構獲得極低的發射度，并在束線設計中考慮X射線的相干性，是第四代同步輻射光源的特點。 其更優異的亮度和相干性也使得一系列新的實驗方法成為可能。 完成。
迄今為止，全球已有50多個同步輻射光源在23個國家和地區運行。 20世紀90年代建成的第三代同步輻射光源，如歐洲同步輻射裝置ESRF、美國先進光子源APS、日本Super Ring-8等，其電子發射度在3nm·rad左右，目前仍處于領先地位。同步加速器輻射設施。 主力展示了此類大型裝置的長期生命力。
與此同時，新設施仍在建設中。 同步輻射裝置是目前規模最大、學科范圍最廣的科學實驗設施。 上面提到的第四代同步輻射光源——瑞典MAXIV光源采用了新的加速器設計，即多彎磁體消色差（MBA）光源，目前主流設計是7彎鐵結構，或者7BA)正逐漸成為未來同步輻射光源構造的趨勢，這種MBA結構的設計可以將存儲環的電子發射率降低到0.1nm·rad以下，比傳統的同步輻射光源高出至少2個數量級。早期第三代光源的亮度。 這一重大進展可以提高同步輻射的相干性，保證實驗的分辨率得以大幅提高，推動一大批新興實驗技術的發展，為各學科領域的研究帶來新的機遇。
目前我國大陸和臺灣共有5個同步輻射設施：北京同步輻射設施（BSRF）、合肥同步輻射源（HLS）、上海光源（SSRF）、臺灣光源（TLS）、臺灣光子源（TPS） ）。 在中低能區域，能量大于40keV的硬X射線波段的光譜亮度與國際先進高能光源存在明顯差距。
北京同步輻射裝置建于1989年，是在北京正負電子對撞機基礎上建立的第一代同步輻射裝置。 它的運行頻率為 2.5GeV，擁有 14 條光束線和 15 個實驗站，覆蓋從真空紫外線到硬 X 射線的廣泛波長。 由于是兩用光源，每年專用同步輻射機小時只有2000小時左右，其利用率受到很大限制。 北京正負電子對撞機重大改造工程完成后，大部分束線可在碰撞模式下運行，機時不足的問題得到一定程度的改善。
合肥同步輻射光源建于1990年，是目前光束能量最大的第二代同步輻射光源。 擁有14條光束線和14個實驗站，主要工作在真空紫外和軟X波段。
與國際情況類似，北京同步輻射裝置和合肥同步輻射源的科研工作也十分活躍。 這兩個裝置每年接待數千名用戶，進行約 600 項科學實驗，并發表數百篇論文。 近年來，隨著光源性能和用戶科研水平的提高，產生了一些具有較大國際影響力的成果。 遺憾的是，北京同步輻射裝置和合肥同步輻射源提供的性能和機時遠遠不能滿足用戶需求。
3.5GeV上海光源建于2009年，是國家能源集團第三代同步輻射裝置。 目前已有16個光束線站投入運營，成為我國先進光源的主力軍。 為進一步提升上海光源技術和科研支撐能力，上海光源線站項目于2016年11月開工建設，新建16座光束線站和性能先進的實驗輔助系統。
臺灣現有的1.5GeV第三代同步輻射光源TLS于1994年投入運行，根據臺灣同步輻射應用發展的需要，確定了建造更先進的3GeV第三代同步輻射裝置TPS的計劃TPS于2004年開工建設，2015年竣工，亮度達到/mm2/mrad2/s/0.1%BW，被譽為“亞洲最亮3GeV同步輻射光源”。
我國現有同步輻射設施對于培養國內同步輻射用戶隊伍、支撐國內基礎科學發展發揮著重要作用。 特別是上海光源在凝聚態物理、化學和結構生物學領域發揮著重要作用。 支撐作用極大地提高了上述學科的水平。
HEPS，為國家需求和前沿基礎科學研究而生
40keV以上的高能X射線具有穿透能力強的優勢，使得對真實工件進行高精度微觀結構研究成為可能，如高能射線衍射、高Z元素光譜、極端條件下的實驗、高密度和（或）大樣本成像等與國家重大需求密切相關的研究。 他們需要的是高亮度、高能量的硬X射線，而這種硬X射線只能由高能量、小發射度的同步輻射源提供。
HEPS是我國第一個高能同步輻射光源，也將是世界上最亮的第四代同步輻射光源之一。 其存儲環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略和產業核心創新相關研究對高能、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域拓展，形成與我國現有光源互補的能源區域，進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的支撐我國的科學研究。
HEPS主體裝置主要由加速器、光束線和實驗站三部分組成。 其加速器由三個獨立的加速器組成：直線加速器、增強器和存儲環，以及連接它們的三個傳輸線。 加速的帶電粒子是電子。 首先，源頭的電子槍產生高質量的電子束，然后通過直線加速器將電子加速到能量為0.5GeV。 增強器將0.5GeV電子束加速到額定6GeV。 達到6GeV的電子束群從增強環中引出回旋加速器是加速帶電粒子的裝置，然后注入專門為電子發光而準備的存儲環中。
當電子束在存儲環的圓形軌道上以接近光速的速度穿過存儲環上不同位置的偏轉磁鐵或各種插入物時，將根據規律沿偏轉軌道的切線方向運動經典電動力學。 彎曲磁鐵或各種插入物發出高質量、高能量、高強度的連續或可調諧光譜同步加速器輻射。 這就是為什么同步輻射裝置都是環形的。 HEPS存儲環加速器由48個周期結構單元（7BA消色差結構）組成。 HEPS可以利用存儲環7BA單元段中部的縱向梯度偶極磁體產生廣譜同步加速器輻射，滿足傳統科研領域用戶的需求。 此外，每個7BA周期單元之間還有一段6米長的線性段。 除了一些單元的線性部分用于安裝電子束注入和引出系統以及高頻系統外，大多數單元的線性部分用于安裝不同類型的先進插入物以引出高性能同步光。 通過合理優化嵌件設計，可產生高于1×/(mm2·mrad2·0.1%BW)水平的世界最高亮度、高能同步輻射。
從電子存儲環中提取的同步輻射光經過光束線上的高精度彎曲、單色儀、聚焦鏡等一系列精密光學系統進行分光、準直和聚焦。 HEPS可以提供??nm空間分辨率、ps時間分辨率和meV能量分辨率的同步光。
各領域的用戶在實驗站使用各種實驗儀器進行自己的科學實驗。 HEPS建設高性能光束線站的能力不少于90個。HEPS光束線站基于高亮度、高能量、高相干性的特點，瞄準國家發展戰略和科學前沿發展，指國際高能同步輻射裝置的光束。 線路車站的設置還考慮了資金限制、建設進度等具體條件。 經過廣泛調研和多次討論，確定了第一批14條面向用戶的公共束線及相應的實驗站。 其中，11個束線實驗站位于實驗館大樓內，有3條長度超過100米的超長束線。 他們的光束線穿過實驗大廳大樓后，實驗站就建在大廳外面。
各線路站都有自己擅長的實驗方法，如可采用連續光譜的X射線吸收光譜法、采用高相干性的X射線相干散射實驗方法、高通量生物大分子微晶衍射實驗方法、超硬X射線技術及射線照相實驗方法等相關設備，支撐工程材料、催化與能源、生命科學與生物醫藥、新材料等國家發展戰略部署的前沿科學研究和課題。 在為眾多用戶提供常規技術支持的同時，也將為涉及國家發展戰略和工業核心迫切需求的研究提供多維度、實時、原位的表征平臺，以分析工程材料的結構并觀察其性能。它們的進化的完整周期。 整個過程為材料的設計和控制提供信息。
HEPS建成后，將參考相關運行規范以及現有光源的開放共享經驗，全天候運行。 按照“開放合作、資源共享”的原則，將向多用戶、多領域開放。 相關機構的用戶可以根據自己的需求定制方案。 ，選擇對應的實驗線站申請機器。
由于同步輻射裝置可以為各學科前沿研究提供重要支撐，建設以同步輻射裝置為核心的多學科研究平臺，形成多學科、多設備的聚集效應，建設國家級大型實驗平臺。 它已成為大科學基礎設施建設的發展趨勢。 美國能源部下屬的ANL、BNL、LBNL等實驗室是一類以同步輻射裝置為核心的綜合性研究平臺； EMBL、中子源、強磁場研究中心等設施也聚集在歐洲ESRF周圍，形成集群效應。 ; 在英國，以同步輻射光源為核心的園區也采用同樣的理念進行設計，日本的-8光源也聚集了大量的企業和科研設施。
HEPS的建設也考慮到了這一情況——它位于懷柔科學城北部核心區，是懷柔大設備集群中的核心設備。 其設計壽命為30年。 建成后將不斷升級改造。 預計工作壽命50年以上。
HEPS作為大裝置集群的核心裝置，將與懷柔科學城建設的極端條件綜合裝置等其他設施和平臺緊密結合，形成高端綜合大裝置集群，為國家重大戰略提供技術支持。需求和前沿基礎科學研究。 促進國家科技發展的支撐平臺。
同步輻射設施是否存在輻射安全問題？
同步輻射是電離輻射，會損傷人體的一些組織結構。 公眾應盡量減少接觸或避免接觸。 但無需恐慌。 一般來說，同步輻射裝置采用一定厚度的重型混凝土墻、鉛墻等一系列防護措施來隔離和吸收釋放的電磁輻射。 因此，當同步輻射裝置正常工作時，裝置產生的輻射劑量會對外部環境產生負面影響。 影響很小，可以忽略不計。
HEPS正常運行情況下，設備附近居民一年受到的輻射劑量約等于乘坐15分鐘飛機的輻射劑量。 同步輻射裝置產生的輻射是瞬時的。 一旦加速器關閉，輻射場就會消失。
因此，居住在同步輻射光源附近的居民可以放心。 如果您在同步輻射源進行工作實驗或參觀同步輻射設施，只要遵循工作人員的指導，就不必擔心輻射安全問題。
《光明日報》（2021年7月8日第16頁）