最“亮”的光照亮微觀世界——探訪高能同步輻射光源

 

　　HEPS儲存環結構單元工藝安裝實驗。

 

 

　　HEPS自研分析晶體。

 

 

　　增強器預準直單元預安裝準直。

 

 

　　俯瞰高能同步輻射光源全景。（中科院高能所 供圖）

 

 

　　裝置簡介：

 

　　高能同步輻射光源（HEPS）是國家重大科技基礎設施建設“十三五”規劃布局的大科學工程項目之一，是我國第一臺高能同步輻射光源，也是世界上亮度最高的第四代同步輻射光源之一，建成后將成為世界最先進的X射線光子科學研究平臺之一，作為探索物質內部結構與變化過程的強有力的科學工具，為基礎科學和工程科學等領域原創性、突破性創新研究提供重要支撐。項目由中國科學院高能物理研究所作為法人單位承擔建設。

 

　　說起光源，你會想到什么？或許是太陽、電燈，抑或是燃燒著的蠟燭……

 

　　這些光源發出的我們肉眼看得見的光，被稱為可見光。不過，在光的大家族中，可見光只是其中很小的一部分，還有無線電波、微波、紅外線、紫外線、軟X射線、硬X射線、伽馬射線等許多肉眼看不見的光。借助這些看得見、看不見的光，人類不斷探索著未知世界。

 

　　在北京懷柔科學城，有一個全球最“亮”的光源正在建設之中。如同一個超大號的X光機，它可以“照亮”微觀世界，通過對微觀結構多維度、實時、原位表征，為物質做“體檢”，揭示物質微觀結構生成及演化機制。

 

　　它就是我國建設的首臺第四代同步輻射光源——高能同步輻射光源（HEPS），也被稱為“希望之光”。

 

　　那么，什么是高能同步輻射光源？它到底有多亮，有何特別之處，如何發揮作用？記者帶您走近國家重大科技基礎設施高能同步輻射光源。

 

　　能量更高、亮度更強——物質內部的微觀結構“看”得更清

 

　　從空中俯瞰，高能同步輻射光源由三棟主體建筑構成，整體外形如同一個放大鏡，寓意“探測微觀世界的利器”。

 

　　其中，綜合實驗樓和用戶服務樓構成“放大鏡”的“手柄”，最大的圓環狀建筑則是光源裝置區域，如同“放大鏡”的“鏡框”。

 

　　這個“鏡框”就是高能同步輻射光源的核心建筑。建成運行后，“最亮的光”便將從這里發出，穿透未知謎團，幫助我們看清那些未曾見過的世界。

 

　　“在這個主體建筑里，分布著電子注入器（直線加速器+增強器）、電子儲存環、光束線站等。”HEPS加速器物理系統負責人、中國科學院高能物理研究所研究員焦毅告訴記者。

 

　　它是這樣工作的：位于源頭的電子槍產生高品質的電子束，經直線加速器將電子束加速到0.5GeV的高能量，注入周長450多米的環形增強器，繼續提高能量到額定的6GeV。此時的電子束無限接近光速，然后被注入至更大的圓環——周長1360米的儲存環，以接近光速的速度保持運動。在儲存環上的不同位置，電子束通過彎轉磁鐵或者各種插入件時，會沿著偏轉軌道切線方向釋放出穩定而且高能量、高亮度的光——同步輻射光。

 

　　“你可以把HEPS看成一個具有超精密、超快、超穿透能力的巨型X光機，就像我們在醫院拍X光片可以穿透衣服、皮膚看清身體的骨肉一樣，HEPS產生的小光束可以穿透物質、深入內部進行立體掃描，從分子、原子尺度觀察微觀世界之中的時空流變。”焦毅告訴記者。

 

　　記者了解到，X射線被視為探測物質結構的探針，其亮度越高，物質內部的微觀結構便“看”得越清楚。自一百多年前倫琴發現X射線以來，科學家們不斷創新技術，去獲取能量更高、亮度更強的X射線。同步輻射光源就是其中一種重要的X射線源。

 

　　據了解，接近光速的帶電粒子在做曲線運動時沿切線方向發出的電磁輻射，即為同步輻射光。“就像下雨時，我們快速轉動雨傘，沿著雨傘邊緣的切線方向會飛出一簇簇水珠。”HEPS工程常務副總指揮、中科院高能所副所長董宇輝解釋說，與常規X射線相比，同步輻射光源產生的同步輻射光頻譜更寬——覆蓋紅外光、可見光、紫外光和X射線波段，亮度更高——高出常規X光機產生的X光4至14個量級，可用于高穿透性、高時空分辨的實驗，另外相干性和準直性也更好。

 

　　一直以來，我國都很重視同步輻射光源的發展建設。迄今，我國大陸地區已經完成了三代同步輻射裝置的發展建設。第一代是1989年建成的依托北京正負電子對撞機的北京同步輻射裝置，第二代是1990年建成的合肥同步輻射光源，第三代則是2009年建成的上海光源。開放運行以來，各裝置孕育了許多重量級的科學研究成果。

 

　　既然已經有了這么多個同步輻射光源，為何還要建設HEPS？

 

　　據介紹，根據加速器中電子的能量，同步輻射光源可以分為低能、中能、高能三種，低能同步輻射光源側重于功能研究，比如化學反應、超導電性、磁性等；中、高能同步輻射光源側重于研究結構，可用于觀察單晶生長、蛋白質分子結構、航空發動機單晶葉片的結構缺陷等。

 

　　“在HEPS之前，我國同步輻射裝置均為中低能區，還沒有高能光源。”焦毅告訴記者，HEPS填補了我國高能同步輻射光源的空白，也將是世界上亮度最高的第四代同步輻射光源之一。

 

　　“HEPS儲存環中電子能量達6GeV，可提供300keV的高能X射線。作為第四代同步輻射光源，HEPS儲存環由48個多彎鐵消色散單元構成，電子發射度更低，亮度比第三代光源要高出100倍，是太陽的100萬倍。”焦毅介紹，如同在黑暗處使用手電筒照明，手電筒越亮看得越清楚，HEPS可以把X光聚焦到納米尺度，讓我們更清楚地了解物質的內部結構。

 

　　施工難度和工藝要求前所未有——“卡脖子”技術問題被一一破解

 

　　HEPS于2019年6月啟動建設，計劃2025年建成驗收。當前，正處于基建收尾、設備安裝并行階段。

 

　　加速器是HEPS的核心部分，包括直線加速器、增強器和電子儲存環。“目前，直線加速器和增強器設備安裝基本完成，電子儲存環也已經啟動安裝。”焦毅告訴記者，最近他正忙著為直線加速器的束流調試做準備。

 

　　HEPS加速電子，產生更高亮度、能量和精度的同步光，從而更好地解析微觀結構。但讓“調皮”的電子抱得更緊，并“聽話”地按照預定的軌道高速運動，并不容易。

 

　　“你知道嗎？未來，裝置投用后，電子束在周長1300多米的儲存環中跑一圈只需要4.3微秒，而其運動孔徑僅有22毫米，所以任何一點細微的偏差都會導致電子束的損耗，影響同步光的質量。”焦毅告訴記者，HEPS對加速器物理及技術均提出了非常“極限”的要求，施工難度前所未有，工藝要求前所未有。

 

　　焦毅給記者舉了一個例子。在儲存環建設施工過程中有這樣一個指標：儲存環在1至100Hz范圍內地面振動的均方根位移積分不能超過25納米。“施工單位負責人當時的第一反應是‘不可能實現’。”

 

　　他們沒有因此降低標準。因為超了，實驗精度就無法保證。最終，團隊創新設計施工，達到了設計指標要求。“后續我們也會不斷跟蹤，根據加速器物理和光束線站要求，積極采取各種減震措施，確保微振動指標達標。”HEPS工程總指揮、中科院高能所研究員潘衛民說。

 

　　在已經完成主體設備安裝的增強器隧道中，一眼望去，記者被許多五顏六色、形狀各異的“大家伙”所吸引。“這是磁鐵系統，第四代同步輻射光源中最為關鍵的系統之一，控制著電子的方向。”焦毅介紹，加速器絕大多數能看到的設備都是磁鐵。在環形增強器中，僅磁鐵就有數百塊。而在儲存環中，使用的磁鐵數量將超過1700塊。

 

　　記者了解到，不同顏色的磁鐵具有不同的功能。比如，紅色的長方體狀磁鐵是二極鐵，可以讓電子“轉彎”；藍色的有四個極頭的磁鐵是四極鐵，可以把那些“想往外跑”的電子拉回“正途”、與其他電子抱得更緊；六極、八極磁鐵則是為了讓電子運行的速度軌跡更加趨于一致。

 

　　“HEPS所使用的磁鐵可以說達到了磁鐵技術的極限，無論是從技術上，還是加工工藝、安裝工藝上。”焦毅說，其加工精度及安裝準直誤差均為10微米量級。

 

　　同時，光束線站方面的技術攻關也不斷取得新突破，比如HEPS首批分析晶體完成在線測試，首臺自研鏡箱和單色器通過出廠驗收等。

 

　　“雖然在硬件設計和工程推進過程中遇到了不少問題和挑戰，甚至是‘卡脖子’技術問題，但都在大家的齊心協力下被一一破解。”憶及整個項目團隊數年來的艱辛付出，焦毅感慨，他們不斷攻堅克難，用實際行動推進科技創新、詮釋匠人精神，“只有把關鍵核心技術牢牢掌握在自己手里，才能真正掌握競爭和發展主動權；只有在所有的細節上做到極致，才能最終得到一個極致的結果。”

 

　　將在先進材料等諸多領域大顯身手——為提升我國原始創新能力貢獻力量

 

　　在電子儲存環之外一墻之隔，是HEPS的實驗大廳，各光束線站的位置所在。光束線站是HEPS的主體部分，是HEPS服務用戶的客戶端，也是科研人員利用光源開展科學研究、產出科研成果的地方。

 

　　隔離墻也十分與眾不同。與我們平時見到的平整墻面不同，每隔一段距離，這個隔離墻就會有一個“鋸齒”狀凸出，“鋸齒”上有一個45公分見方的小“窗戶”。

 

　　“這是前端區的出光孔，是連接儲存環和實驗站的‘橋梁’。”HEPS結構動力學線站負責人、中科院高能所副研究員張兵兵告訴記者，未來，同步光將從這個孔射出，根據實驗需求經調制后進入實驗站供各領域用戶開展科學實驗。“從加速器引出的寬頻譜、光斑尺寸相對大的同步光，并不能直接給用戶使用，需要經過光束線上單色器、聚焦鏡等一系列的光學元件，從寬波段的‘白光’里，挑選出波長單一的單色光，并進一步將光斑尺寸聚焦到更小的尺寸，才能供用戶開展更高精度的實驗。”

 

　　據介紹，HEPS建設高性能光束線站的容量不少于90條，首批建設14條面向用戶的公共光束線和相應的實驗站，可提供納米空間分辨、皮秒時間分辨、毫電子伏能量分辨的同步光。

 

　　“高能光源可提供能量達300keV的光，意味著穿透金屬等工程材料可達毫米，甚至厘米級，比常規中低能光源提高3至4個數量級，改善淺表信號難以評估材料整體性能的困境；空間分辨可達10納米，保證穿透能力的同時，有效覆蓋光學顯微鏡和電子顯微鏡之間的空白區；時間分辨達到皮秒量級，1萬億分之一秒，光只能走10根頭發絲粗細的距離，可以探測金屬3D打印、動態加載等超快時間尺度下的動態不可逆過程。”張兵兵說。

 

　　記者了解到，不同線站都有其擅長的實驗方法，可支持先進材料、航空航天、能源、環保、醫藥等領域前沿科學研究。在為眾多用戶提供常規技術支撐的同時，還將為國家發展戰略和工業核心迫切需求的研究領域提供多維度、實時、原位的表征平臺，為工程材料的成分設計、制造工藝優化、缺陷表征、服役性能等提供全壽命周期的結構信息和評價手段。

 

　　“HEPS的光具有高能量、高亮度、高相干等特點，高空間分辨的‘魚’和高時間分辨的‘熊掌’可以兼得，可以進一步提高實驗的信噪比，進一步擴展研究對象到更小的納米顆粒材料、微細通道的流體力學等。”張兵兵介紹說，比如，可以原位觀察單晶的生長過程，揭示單晶葉片缺陷的形成機制和等軸晶—柱狀晶轉變機理；對工程材料開展全壽命周期多尺度表征，探究材料在制造和服役過程中的失效因素；解釋重要蛋白的功能，推動新藥發明，等等。

 

　　“簡單來說，就是從飛機發動機到病毒蛋白質，未來都能在這里進行‘體檢’。”張兵兵介紹說，比如有的工程材料可能存在雜質和斷裂等問題，僅憑肉眼很難看清，但通過HEPS就能一下子讓問題一覽無余。

 

　　創新驅動發展。作為“探測微觀世界的利器”，HEPS建成后，將堅持“四個面向”“兩加快一努力”，為提高我國在基礎前沿和交叉科學領域的原始創新能力和科技綜合實力貢獻力量。

 

“期待HEPS的第一束光。”焦毅、張兵兵表示。

 

（——中央紀委國家監委網站）