高能同步輻射光源HEPS，擬於2019年年中在懷柔科學城北部核心區開工建設，建設周期6.5年。建成以後將是我國的第一臺高能同步輻射光源。同時，它還具有世界最高光譜亮度，高於目前世界上現有和正在或即將建設的光源，並且還有進一步提高的空間。
來源：懷柔科學城HSC 微信公眾號
相傳，在世界各地，坐落著這樣一個一個的「UFO」。它們不光擁有著神秘的外形，而且能讓電子在磁場的魔力下轉圈圈。它們能窺探物質內部的各種「魑魅魍魎」，讓各種「妖魔鬼怪」無所遁形。江湖人稱「火眼金睛」！這些「UFO」不是別的，正是同步輻射光源。
我們先來了解一下
世界上比較有名的幾個同步輻射光源
（SPring-8，http://www.spring8.or.jp/en/）
（APS，https://www.aps.anl.gov/）
（NSLS-II，https://www.bnl.gov/ps/）
（Diamond,https://www.diamond.ac.uk/Home.html）
先別急著疑惑
為什麼這些大傢伙長得都像UFO
先來聽小編介紹下懷柔科學城即將開工建設的高能同步輻射光源
因為它建成後將是這些光源裡邊
最亮的同步輻射光源
1
這個光源有多厲害？
在懷柔科學城落地的五個國家重大科技基礎設施中，高能同步輻射光源（HEPS）項目由中科院高能所作為法人單位承擔建設。該項目為《國家重大科技基礎設施建設「十三五」規劃》優先布局的大科學工程項目之一，建成以後將是中國的第一臺高能同步輻射光源，也是我國第一臺第四代同步輻射光源。同時，它還具有世界最高光譜亮度，高於目前世界上現有和正在或即將建設的光源，並且還有進一步提高的空間。
2
建設規模及建設周期？
高能同步輻射光源HEPS首期建設加速器（儲存環周長約1360m）、14條公共光束線站及配套土建工程等，建成後將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。
該項目新建建築面積12.5萬平方米，擬於2019年年中在懷柔科學城北部核心區開工建設，建設周期6.5年。
3
這個項目有什麼重要作用？
科學目標：
1.通過對微觀結構多維度、實時、原位表徵，解析物質結構生成及其演化的全周期全過程。包括原位觀察複雜單晶生長以及加工過程，揭示多種單晶葉片常見缺陷的形成機制；對工程材料全壽命周期進行多尺度表徵，探究材料性能和使用過程中失效的關鍵因素；解決高溫合金材料的製造、加工、服役和修復等環節中的偏析問題和應力問題。
2.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。重點測定特殊材料的寬區狀態方程，為慣性約束核聚變探測器的精密標定提供條件；解析 1 微米量級蛋白質晶體的結構，解釋重要蛋白的功能，推動新藥發明。
高能同步輻射光源可以對物質的微觀結構進行全方位探測（這有一個炫酷的名字「多維度」，就是從原子結構到電子結構各種角度進行探測），並且能夠「看到」各種材料、部件在真實的工作環境下的變化過程（這也有一個高端的說法：實時、原位表徵），因此可以告訴我們各種物質的結構是如何生成的，以及在使用等過程中怎麼演化的。
由於高能同步輻射光源能夠揭示微觀物質結構生成演化的機制，剖析微觀物質構成，人們希望它能夠為物質調控提供基礎支撐（物質調控的含義就是能夠按照我們的需求，控制各種原子的組成和排列，獲得一些我們需要的性能，很有些科幻的味道，但這正是未來科技努力實現的目標之一）。
工程目標：
1. 建設國際領先的高能同步輻射光源，儲存環能量達6GeV，亮度達
1×10??phs/s/mm?/mrad?/0.1%BW，發射度小於0.06nm·rad，高性能光束線站容量不少於90個，可提供能量達300千電子伏的X射線。
2. 設施空間分辨能力達到10nm量級，具備單個納米顆粒探測能力；能量分辨能力達到1meV伏量級；時間分辨達到ps量級，具備高重複頻率的動態探測能力。
建設意義：
1.有利於進一步優化我國同步輻射光源區域布局的進一步合理化，促進我國科學技術與社會經濟更加和諧協調地發展。
2.可提供能量高達300keV的X射線，滿足與國家發展戰略和工業核心需求相關研究的迫切需求，同時，HEPS也能在低、中能區提供亮度更高的X射線，在基礎科學研究領域為用戶提供更好的支撐平臺。
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能為國家和人民帶來什麼利益？
經濟和社會效益：
高能同步輻射光源將在我國先進材料、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中廣泛應用，提供突破瓶頸問題的關鍵手段，通過推動技術創新，提升企業的核心競爭力，推動相關高科技產業的發展。
高能同步輻射光源將成為我國重要的國際科技合作與基礎科學研究平臺，提升我國在相關領域原始創新能力的同時，增強我國的國際影響力。
高能同步輻射光源還將成為相關領域高科技人才的引進和培養基地。
了解完懷柔科學城高能同步輻射光源
現在咱們來說說
為啥世界各地的光源長的都像UFO
X射線簡介
鑑於這些大傢伙與X射線有關，所以咱們就先解釋一下啥是X射線。顧名思義就是無名之光，因為當初發現它的時候，倫琴也不知道這是什麼東西啊，但發現它可以顯示人體的骨骼結構，故而名之以X射線。
第一張X射線圖像：倫琴夫人的手骨及戒指
本質上，它屬於廣泛的電磁輻射家族成員之一，只是它的波長非常短，與蛋白質分子，原子等大小相當。波長短意味著頻率高，而頻率高意味著它攜帶的光子能量比較大（請自行腦補榮獲諾貝爾獎的波粒二象性），以至於能夠破壞分子間化學鍵。對人體而言，過量的接觸X射線會致使體內的蛋白質結構遭受一定的破壞，因而有害健康。當然啦，醫院裡使用的X光機拍片都是在對人體安全範圍內操作的，要相信咱們的醫護以及科研人員所做的努力。
既然有害於健康，為啥還要發展這無名之光？實際上，X射線除了能幫助醫護人員提前診斷我們體內的一些病症，它在工業，醫藥以及科研前沿等其他領域也在無時無刻地造福著我們。比如藉助於其在材料內部穿透深度比較大的特性，人們利用X射線檢測所生產金屬器件的內部完整性；通過研究醫藥大分子的結構，科研人們能夠研發出更具有針對性的藥品。所以為了充分利用X射線的優勢，自從其被發現以來，人們一直想方設法地得到品質優良的X射線。
X射線的兩種產生方式
陰極管
目前比較常見的產生X射線裝置有兩種：一種是用高能電子轟擊金屬，電子在打進金屬的過程中急劇減速，按照大名鼎鼎的麥克斯韋方程，減速的帶電粒子或者激發的金屬原子會輻射電磁波，如果電子能量很大，比如上萬電子伏，就可以產生X射線，這是目前實驗室和工廠，醫院等地方用的產生X射線的方法，該方法產生的X射線能量比較單一，同時亮度也一般比較弱；另外一種就是同步輻射裝置。
快速轉動雨傘
類似於雨中快速轉動雨傘，沿傘邊緣的切線方向就會飛出一簇簇水珠。上個世紀初，人們預言真空中接近光速運動的電子在磁場中作曲線運動時，由於洛倫茲力所施加的向心加速度的存在，電子也會沿著彎轉軌道切線方向發射連續的電磁輻射；隨後在1947年，美國通用電氣公司的一名工人在調試70兆電子伏(MeV)的電子同步加速器時意外觀察到了這種電磁輻射，由於是在同步加速器上第一次看到這種電磁輻射，因此也就稱之為「同步加速器輻射」，簡稱「同步輻射」（回旋加速器等其它加速器同學表示不服及嚴重抗議……）。
磁場偏轉電子輻射
同步輻射一被發現就顯示出了強大的研究物質結構的能力，因此當年許多用來做粒子物理研究的同步加速器「轉行」或者「客串」，開展同步輻射研究這就是第一代的同步輻射光源。為了進一步提升同步輻射產生的X射線特性，人們在彎轉磁鐵之間的直線段插入產生周期性磁場部件（稱為插入件），當電子束通過插入件時會被磁場往復、周期性地偏轉方向，在近似正弦曲線的扭擺偏轉中發出更多的同步輻射光，最後相互疊加出亮度更高的X射線。根據插入件的周期以及數目，這種方式又可分為扭擺磁鐵和波蕩器兩種模式，其中扭擺磁鐵產生的X射線發散角度比較寬同時能量範圍也比較廣，而波蕩器由於緻密周期性磁場的存在使得前後產生的X射線相干疊加，因而其發散角度非常小同時強度更亮。之後繼續建設的第二代、第三代同步輻射光源中，插入件逐漸被廣泛應用，特別是第三代同步輻射光源，插入件已經成為主力。第四代同步輻射光源，普遍採用多彎鐵消色散結構，將電子束髮射度在三代光源基礎上進一步降低1~2個量級，大幅提升同步輻射光的亮度和橫向相干性。將在懷柔科學城啟動建設的HEPS即為第四代同步輻射光源。
插入件原理示意圖
插入件實物圖
同步輻射裝置
同步輻射示意圖
依據上述磁鐵偏轉電子引發電磁輻射的方式，人們建立了現代大型同步輻射光源，即：一開始電子在直線加速器中加速到MeV量級，隨後進入圓形加速器中迅速提升至接近光速，之後高速的電子進入外圍儲存環中，最後這些電子在通過特製的插入件以釋放出一定的同步光。這也就是為什麼上面顯示的不同地方的同步輻射都是UFO形的。為了最大化該裝置的利用，人們在儲存環的不同部位通過插入不同類型的磁鐵以獲得不同特性的同步光，進而服務於不同的實驗對象。
北京同步輻射中心實驗線站
同步輻射X射線優點
1. 強度高，亮度大
由於電子損失的能量全部以光子輻射的方式發射出去，而且發射的角度極小，並且可以用多次疊加的辦法加強，還能夠控制的發光的電子束流密度，這種大型設備產生的同步光亮度比常規X光機要高出約4-12個數量級。
2. 光子能量範圍寬
同步光的能量可以從遠紅外區連續變化至硬X射線區域，能量跨度8個數量級。作為參考，咱們人眼可分辨的光譜範圍連一個數量級都不到。
3. 其他特點
這些X射線一般還具有比較好的準直性、偏振性以及脈衝時間結構等等。
所有這些優點使得同步輻射作為一個大型科研平臺能夠同時服務於不同的學科，不同的領域。比如，人們在該裝置上可以得到極端條件下材料的結構工程研究，抑或是構成人體遺傳物質的DNA雙螺旋結構以及人體細胞內的離子傳輸通道蛋白三維結構等；利用X射線的脈衝特性，人們甚至可以觀測一些動態過程，如生物領域的DNA複製過程和化學領域的光催化電子轉移方式等等。
X射線顯示晶體結構
X射線晶體衍射圖案
我國同步輻射及相關研究成果
到目前為止，世界上大約有50多臺這樣的科研裝置運行在23個國家和地區，而且新的裝置還在不斷的建設中。上個世紀80年代，在一代偉人鄧小平同志的推動下，我國在北京建立了正負電子對撞機併兼用為第一代同步輻射裝置（也是由高能所承擔建設、運行任務），隨後緊跟世界發展，我國又陸續修建了合肥第二代同步輻射光源，上海第三代光源以及臺灣新竹的同步輻射裝置。
上海第三代同步輻射光源
依靠國內這些先進光源設施，我國科學家如今也已取得了舉世矚目的科研成果。這其中，作為鐵桿用戶，物理所當然也不負眾望。比如通過研究X射線吸收譜，得到了元素的化學價變化情況，來自清潔能源實驗室的人們理清了光催化和鋰離子電池中的電子轉移情況，為我國未來能源應用方面打下了堅實基礎；在基礎科研方面，極端實驗室的科研人員利用上海第三代同步輻射產生的優良X射線首次發現了材料內部的一些「幽靈」粒子，如外爾費米子等等，使得我國在這個領域佔據了一定的戰略制高點。
外爾費米子的發現（圖片來自物理所極端實驗室7組）
還有一個，就是小編開篇介紹的懷柔科學城高能同步輻射光源。未來，懷柔科學城高能同步輻射光源提供的高亮度、高通量、高準直度、精確可控、能量連續可調的X射線將為生命、材料、能源、環境等多種尖端科學研究提供高水平的研究平臺，而作為用戶單位的物理所也必將再接再厲，做出更多原創性的世界級科研成果。
同步輻射應用
關於X射線的小問題
1. X射線對身體有害嗎？
作為電磁輻射中的一員，高能量的X射線屬於電離輻射，即有能力破壞人體的一些組織結構，因而儘量少接觸或者避免暴露於X射線中。作為對比，手機和電腦等電子設備發射的電磁輻射能量比較低，屬於非電離輻射，並且目前尚沒有科學研究發現其對人體組織有影響。
2. 生活中有哪些場景會接觸X射線
在日常生活中，人們接觸X射線一般是在醫院拍胸片或者CT掃描。由於X射線輻射對人體的危害有一定的劑量閾值，即超過該值，X射線就對身體產生一定的不良影響。但在醫院的這些設備都被嚴格控制在閾值以下，因而不必過於擔心類似的體檢。
3. 去同步輻射參觀是否擔心X射線輻射？
在同步輻射裝置上，人們一般利用一定厚度的鉛牆等一系列防護措施，來隔離並吸收釋放的電磁輻射，所以在同步輻射裝置正常運行時，裝置產生的輻射劑量對外界環境的影響是微乎其微的，可忽略不計（HEPS正常運行情況下，裝置附近居民一年所受的輻射劑量≈乘坐飛機15分鐘的輻射量）；而同步輻射裝置產生的輻射是瞬發性的，只要加速器一停機，輻射場即消失。所以按照工作人員的引導來參觀同步輻射完全不必擔心輻射問題。
如今世界各國都在加大
對同步輻射設施的建設投入
我國同步輻射光源的發展
目前已歷經三代，如今即將開建的
高能同步輻射光源
是世界範圍內亮度最高的第四代同步輻射光源
同時也是中國第一臺高能量同步輻射光源
作為懷柔科學城五大科學裝置之一
高能同步輻射光源的開建
將成為我國建設先進高能同步輻射光源
邁向世界先進水平的重要一步！
版權聲明
本文由「懷柔科學城HSC」公眾號編輯，部分資料來源中科院高能所、物理所。欲轉載請關注「懷柔科學城HSC」公眾號回復「轉載」取得授權，謝謝配合。
本文經懷柔科學城HSC微信公眾號授權轉載