6月29日，我國第一臺高能同步輻射光源、世界上亮度最高的第四代同步輻射光源之一——高能同步輻射光源（HEPS）在北京懷柔科學城動工開建。中科院高能物理所研究員董宇輝表示，HEPS建成後，亮度將比美國的NSLS-II高70倍，比瑞典的MAX IV高10倍。
同步輻射光源是如何幫助科研人員「看見」物質內部結構的？對於科研實驗，是否能量越高就越好？高能同步輻射光源的建成，將給國內用戶開展相關實驗帶來哪些改善？
探索微觀世界的利器
美國能源部基礎能源科學顧問委員研究報告《調控物質和能量：科學的五個挑戰及展望》指出，今天人類已處於一個調控時代（Control Age）。通過更精細地認識物質（包括生命物質和非生命物質），在原子甚至電子水平調控物質，使其具有期望的功能和性能，先進光源在其中起著關鍵的作用。
隨著各國對先進光源的重視度越來越高，眾多國家和地區紛紛加碼同步輻射裝置的建設。據了解，目前世界上大約有50 多臺同步輻射裝置在運行，我國大陸目前運行的3臺均為中、低能光源。
按照部署，HEPS是我國「十三五」期間優先建設的、為國家的重大戰略需求和前沿基礎科學研究提供技術支撐平臺的國家重大科技基礎設施。HEPS整體建築外形猶如一個放大鏡，寓意為探測微觀世界的利器。
北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室教授王沿東告訴《中國科學報》，「在工程材料等領域，高能同步輻射光源比一般同步輻射光源更容易穿透物質，它的能量很容易達到100keV,穿透4~5毫米的鋼鐵。」
HEPS一方面有助於解析物質結構生成及其演化的全周期全過程，另一方面可揭示微觀物質結構生成演化的機制，剖析微觀物質構成，為物質調控提供基礎支撐。建成後，HEPS將與世界上正在運行的美國先進光子源（APS）、歐洲同步輻射裝置（ESRF）、日本SPring-8、德國的Petra-III一起，構成世界五大高能同步輻射光源。
中國科學院金屬研究所研究員李昺說：「HEPS由於建設晚於現有的其他高能同步輻射裝置，反而有更多的技術經驗等積累，具有『後發優勢』。」
不必擔心輻射問題
正如我們所知，X射線具有很強的穿透本領，因而是人類探索微觀世界流變的探針。同步輻射光源正是產生X射線來測量各種物質的原子結構的「放大鏡」。它不同於實驗室中製造的X射線，在實驗室中，X 射線一般是由X射線管、X 光機產生，能量比較單一、亮度也較弱。而同步輻射裝置產生的X 射線具有高亮度、高準直性、良好的相干特性以及從遠紅外到硬X射線範圍的連續光譜等性質，因而被廣泛應用於生命科學、環境科學、凝聚態物理和材料科學等領域。
李昺說，「通常，我們稱能量較高的光源為硬X射線，能量較低的為軟X射線。」HEPS屬於高能光源，具有6GeV的電子能量，發射度小於等於0.06nm×rad，具有世界最高亮度，並且還有進一步提高的空間。
提到X射線，「輻射」常令人擔憂。HEPS是否會對工作人員、公眾造成危害呢？
答案是否定的。實際上，HEPS 對公眾影響的劑量限值遠低於國家標準。同時，HEPS產生的輻射是瞬發性的，只要加速器一停機，能造成環境影響的主要輻射源即消失，同時也不再引起空氣、冷卻水的活化。
此外，HEPS還有完整的輻射防護設計方案，嚴格的屏蔽牆設計、人身安全聯鎖與劑量監測系統設計，可保障工作人員與環境安全。
與我國現有光源形成能區互補
同步輻射光源按電子能量不同能段分為低能光源、中能光源、高能光源。不同能區的光源用途不同。北京正負電子對撞機上的同步輻射裝置、合肥同步輻射裝置、上海光源屬於中、低能段，目前都在積極運行中。
HEPS作為高能光源，將與我國現有的光源形成能區的互補。HEPS將滿足國家發展戰略等研究對高能量、高亮度的X射線的迫切需求，使我國的同步輻射光源向高能區擴展。
王沿東解釋說，「高能同步輻射光源與我國現有光源是互補的，不同能區的光源用途不同，例如對譜學等方面的研究中低能度的光源即可滿足實驗，能量太高做有些物質/部件成像研究反而看不清內部結構。
預計未來HEPS 將在我國先進材料、航空航天、能源、環保、醫藥、石油、化工、生物工程和微細加工等領域廣泛應用，提供突破瓶頸問題的關鍵手段，提升我國國家發展戰略與工業核心技術的相關研究水平、基礎科學和高技術領域的原始創新能力。例如對新能源頁巖油氣的研究，利用HEPS 的納米CT 技術可以對頁巖的結構進行具有納米解析度的三維成像，為頁巖儲油儲氣特性研究提供科學數據。
助推「卡脖子」技術的突破
特種材料的結構分析、工程材料的全壽命過程研究等，不但需要高能量、高亮度的X射線，同時還必須在國內開展研究。因此，HEPS對於我國科技發展戰略及工業核心創新能力相關的研究至關重要。
在國家支持重大需求和工程材料方面，HEPS可支持極端條件下材料的結構功能研究、特殊材料的動態高壓條件下結構變化實時解析、工程材料的全壽命周期實時動態研究。在前沿科學方面，HEPS還可用於開展小於1μm 尺寸的生物蛋白質晶體結構測定，單個納米顆粒的實時、原位結構解析，強關聯材料的深能級聲子譜研究。
「對於工程材料的研究，我們需要能量高、通量大、解析度高、聚焦小的光源，一方面可以縮短測量時間，另一方面更小的聚焦有助於更好地開展基礎研究。」王沿東說，「某些涉及國家戰略需求的實驗是無法在國外開展的，國內又很難滿足實驗要求，高能同步輻射光源的建成將推動我國『卡脖子』技術的突破。」
HEPS的建設對國內需要開展相關實驗的科研用戶而言，無疑是一個重大利好的消息，不僅可以免去在國外做實驗的高昂成本，還能為開展前沿研究搶佔時間。
李昺說：「金屬材料領域的實驗研究需要能量高的光源及好的樣品環境。目前國內光源在開展某些實驗時很難滿足需求，所以只能去國外開展實驗。隨著高能同步輻射光源的順利建成，我們將不必再去國外開展相關實驗了。」
王沿東還補充道，「高能同步輻射光源的競爭不完全在指標上，還在於線站、人才等後續建設。未來，也許還有很長的路要走。」
據了解，HEPS項目建設周期為6.5年，2019-2025年完成工程建設，2025年底驗收並投入運行。隨著HEPS自身的建設，還將帶動和提升眾多相關產業的技術進步，產生良好的社會經濟效益。
（原載於《中國科學報》 2019-07-11 第8版 裝備製造)