作者：董宇辉（中国科学院高能物理研究所副所长、研究员） 袁梦瑶（研究所高级工程师）
从空中俯瞰，位于北京怀柔科学城的高能同步辐射源（HEPS）的整体建筑就像一个放大镜，寓意着它是探测微观世界的利器。 HEPS是国家“十三五”规划的重大科技基础设施。 由国家发展和改革委员会支持，中国科学院高能物理研究所承建。 它是我国第一个高能同步辐射光源，也是世界上最亮的第四代同步辐射光源之一。 近日，HEPS首台科研设备顺利安装，提供技术研发和测试支撑能力的先进光源技术研发测试平台（PAPS）同时进入试运行。 这意味着HEPS将逐步进入科研设备安装调试阶段。 建成后将为基础科学和工程科学领域原创性、突破性创新研究提供重要支撑平台。
高能同步辐射光源整体建筑效果图。图片由中国科学院高能研究所提供
强大的物质结构探测
作为探测物质结构的探针，X射线光源亮度是最关键的指标——更高的亮度意味着在空间、能量、时间等维度上有更好的分辨率和更高的实验效率，也就是说，可以更清楚地“看到”物质内部的微观结构。 因此，获得更高亮度的X射线源一直是科技人员孜孜不倦追求的目标。 由伦琴发现X射线的装置发展而来的固定靶和旋转靶X射线机，为X射线的应用做出了巨大贡献，至今仍在实验室中使用。 然而，此类仪器的亮度存在着难以逾越的“天花板”。
中国科学院高能研究所提供的HEPS装置结构示意图
与可见光和 X 射线一样，同步加速器辐射本质上是电磁辐射的一种。 根据电动力学定理，自由电子在变速运动时会产生电磁辐射，包括：电子运动速度变化时向前运动方向产生的轫致辐射； 当电子运动方向改变时，在运动切线方向产生轫致辐射。 同步加速器辐射。 同步加速器辐射是当电子以接近光速运动在磁场中进行曲线运动时产生的电磁辐射。 由于这种辐射于1947年在电子同步加速器中观测到，因此被命名为“同步加速器辐射”。
与常规X射线相比回旋加速器是加速带电粒子的装置，同步辐射源产生的同步辐射光具有独特的优点：光谱宽，同步辐射光波长连续可调，覆盖红外、可见光、紫外和X射线波段，单色仪可以根据需要选择不同波长的光进行单色光实验； 加速器中的电子分布不是连续的，而是电子束簇进行旋转运动。 因此，产生的同步加速器辐射也是脉冲的并且具有时间分辨率； 同步辐射的发散角小，光线几乎平行。 因此，其利用率和分辨率都大大提高。 亮度高。 与传统X射线机产生的X射线相比，同步加速器辐射的亮度大约高4-14倍。 数量级，可用于高分辨率实验。
回顾科学发展史，同步辐射光源对科学技术发展的广度和深度产生了无可比拟的影响，成为科学研究最有力的支撑平台之一。 对于所有电磁波探针实验技术，从红外、可见光、真空紫外、软X射线到硬X射线波段，同步辐射装置都能为实验提供高性能光源。 研究人员可以利用与同步辐射相关的各种技术手段来探测样品的原子、电子、声子、磁性等结构，并可以在各种外部条件（如在高低温、高压、强磁场、强电场、腐蚀环境下进行的实验不仅可以检测体相的结构，而且由于亮度高，还可以检测表面和界面的结构细节。同步辐射的实验可以达到实验室光源无法达到的效率和精度，并且有大量的实验方法只能在同步辐射研究设施中实现。辐射已导致五位诺贝尔奖获得者。
除了基础科学研究外，同步辐射在工业应用中也发挥着重要作用。 当今的工业已经不再是一个单纯依靠产能或数量的时代。 技术创新是引领产业发展的引擎。 同步辐射装置涉及的全面而强大的实验研究能力，可以汇集多学科、不同实验方法，对工业应用中的各种问题进行多方位的研究，形成产业创新的源泉。 在全球几座大型同步辐射装置中，来自工业研发部门的用户大约占用户的7%~9%，并且有逐年增加的趋势。 有的公司甚至有自己的光源专线站。 。
这种强大的支撑能力带动了世界各国加大对同步辐射研究设施建设的投入，使同步辐射成为世界上数量最多的大型科学装置。 同时，随着基础科学的不断发展、国家的需求和时间的推移，新建的同步辐射装置的性能也逐渐提高。
四代发展史，更高更强的追求
自1947年同步辐射诞生以来，随着研究深度和范围的扩大，它已经历了四代发展阶段：
第一代同步辐射光源寄生在用于高能物理实验的对撞机上。 由于同步辐射实验的要求与高能物理实验的要求不符合，导致同步辐射研究中使用的第一代同步辐射光源的性能和时间受到限制。 皆受限制。
第二代同步辐射源的存储环是专门为同步辐射研究而打造的，使用了少量的嵌件，加速器设计也是基于优化同步辐射光性能。
第三代同步辐射光源是在具有更高发射性能的同步辐射光的基础上设计的。 除了使用弯铁外，第三代同步辐射装置还重点在更多的直线段中安装具有周期性磁场的磁体组件（这些组件称为插入件），以获得性能更好的同步辐射光。
第四代同步辐射光源是发射率极低的存储环形光源。 随着瑞典MAXIV等低发射存储环形光源的成功，该技术逐渐被公认为环形同步辐射光源的发展方向。 采用新型加速器结构获得极低的发射度，并在束线设计中考虑X射线的相干性，是第四代同步辐射光源的特点。 其更优异的亮度和相干性也使得一系列新的实验方法成为可能。 完成。
迄今为止，全球已有50多个同步辐射光源在23个国家和地区运行。 20世纪90年代建成的第三代同步辐射光源，如欧洲同步辐射装置ESRF、美国先进光子源APS、日本Super Ring-8等，其电子发射度在3nm·rad左右，目前仍处于领先地位。同步加速器辐射设施。 主力展示了此类大型装置的长期生命力。
与此同时，新设施仍在建设中。 同步辐射装置是目前规模最大、学科范围最广的科学实验设施。 上面提到的第四代同步辐射光源——瑞典MAXIV光源采用了新的加速器设计，即多弯磁体消色差（MBA）光源，目前主流设计是7弯铁结构，或者7BA)正逐渐成为未来同步辐射光源构造的趋势，这种MBA结构的设计可以将存储环的电子发射率降低到0.1nm·rad以下，比传统的同步辐射光源高出至少2个数量级。早期第三代光源的亮度。 这一重大进展可以提高同步辐射的相干性，保证实验的分辨率得以大幅提高，推动一大批新兴实验技术的发展，为各学科领域的研究带来新的机遇。
目前我国大陆和台湾共有5个同步辐射设施：北京同步辐射设施（BSRF）、合肥同步辐射源（HLS）、上海光源（SSRF）、台湾光源（TLS）、台湾光子源（TPS） ）。 在中低能区域，能量大于40keV的硬X射线波段的光谱亮度与国际先进高能光源存在明显差距。
北京同步辐射装置建于1989年，是在北京正负电子对撞机基础上建立的第一代同步辐射装置。 它的运行频率为 2.5GeV，拥有 14 条光束线和 15 个实验站，覆盖从真空紫外线到硬 X 射线的广泛波长。 由于是两用光源，每年专用同步辐射机小时只有2000小时左右，其利用率受到很大限制。 北京正负电子对撞机重大改造工程完成后，大部分束线可在碰撞模式下运行，机时不足的问题得到一定程度的改善。
合肥同步辐射光源建于1990年，是目前光束能量最大的第二代同步辐射光源。 拥有14条光束线和14个实验站，主要工作在真空紫外和软X波段。
与国际情况类似，北京同步辐射装置和合肥同步辐射源的科研工作也十分活跃。 这两个装置每年接待数千名用户，进行约 600 项科学实验，并发表数百篇论文。 近年来，随着光源性能和用户科研水平的提高，产生了一些具有较大国际影响力的成果。 遗憾的是，北京同步辐射装置和合肥同步辐射源提供的性能和机时远远不能满足用户需求。
3.5GeV上海光源建于2009年，是国家能源集团第三代同步辐射装置。 目前已有16个光束线站投入运营，成为我国先进光源的主力军。 为进一步提升上海光源技术和科研支撑能力，上海光源线站项目于2016年11月开工建设，新建16座光束线站和性能先进的实验辅助系统。
台湾现有的1.5GeV第三代同步辐射光源TLS于1994年投入运行，根据台湾同步辐射应用发展的需要，确定了建造更先进的3GeV第三代同步辐射装置TPS的计划TPS于2004年开工建设，2015年竣工，亮度达到/mm2/mrad2/s/0.1%BW，被誉为“亚洲最亮3GeV同步辐射光源”。
我国现有同步辐射设施对于培养国内同步辐射用户队伍、支撑国内基础科学发展发挥着重要作用。 特别是上海光源在凝聚态物理、化学和结构生物学领域发挥着重要作用。 支撑作用极大地提高了上述学科的水平。
HEPS，为国家需求和前沿基础科学研究而生
40keV以上的高能X射线具有穿透能力强的优势，使得对真实工件进行高精度微观结构研究成为可能，如高能射线衍射、高Z元素光谱、极端条件下的实验、高密度和（或）大样本成像等与国家重大需求密切相关的研究。 他们需要的是高亮度、高能量的硬X射线，而这种硬X射线只能由高能量、小发射度的同步辐射源提供。
HEPS是我国第一个高能同步辐射光源，也将是世界上最亮的第四代同步辐射光源之一。 其存储环加速器电子束能量为6GeV，可提供的高能X射线将有效满足国家战略和产业核心创新相关研究对高能、高亮度X射线的迫切需求能力，使得我国同步辐射光源向高能区域拓展，形成与我国现有光源互补的能源区域，进一步满足用户快速增长的需求，确保同步辐射光源有可持续的支撑我国的科学研究。
HEPS主体装置主要由加速器、光束线和实验站三部分组成。 其加速器由三个独立的加速器组成：直线加速器、增强器和存储环，以及连接它们的三个传输线。 加速的带电粒子是电子。 首先，源头的电子枪产生高质量的电子束，然后通过直线加速器将电子加速到能量为0.5GeV。 增强器将0.5GeV电子束加速到额定6GeV。 达到6GeV的电子束群从增强环中引出回旋加速器是加速带电粒子的装置，然后注入专门为电子发光而准备的存储环中。
当电子束在存储环的圆形轨道上以接近光速的速度穿过存储环上不同位置的偏转磁铁或各种插入物时，将根据规律沿偏转轨道的切线方向运动经典电动力学。 弯曲磁铁或各种插入物发出高质量、高能量、高强度的连续或可调谐光谱同步加速器辐射。 这就是为什么同步辐射装置都是环形的。 HEPS存储环加速器由48个周期结构单元（7BA消色差结构）组成。 HEPS可以利用存储环7BA单元段中部的纵向梯度偶极磁体产生广谱同步加速器辐射，满足传统科研领域用户的需求。 此外，每个7BA周期单元之间还有一段6米长的线性段。 除了一些单元的线性部分用于安装电子束注入和引出系统以及高频系统外，大多数单元的线性部分用于安装不同类型的先进插入物以引出高性能同步光。 通过合理优化嵌件设计，可产生高于1×/(mm2·mrad2·0.1%BW)水平的世界最高亮度、高能同步辐射。
从电子存储环中提取的同步辐射光经过光束线上的高精度弯曲、单色仪、聚焦镜等一系列精密光学系统进行分光、准直和聚焦。 HEPS可以提供nm空间分辨率、ps时间分辨率和meV能量分辨率的同步光。
各领域的用户在实验站使用各种实验仪器进行自己的科学实验。 HEPS建设高性能光束线站的能力不少于90个。HEPS光束线站基于高亮度、高能量、高相干性的特点，瞄准国家发展战略和科学前沿发展，指国际高能同步辐射装置的光束。 线路车站的设置还考虑了资金限制、建设进度等具体条件。 经过广泛调研和多次讨论，确定了第一批14条面向用户的公共束线及相应的实验站。 其中，11个束线实验站位于实验馆大楼内，有3条长度超过100米的超长束线。 他们的光束线穿过实验大厅大楼后，实验站就建在大厅外面。
各线路站都有自己擅长的实验方法，如可采用连续光谱的X射线吸收光谱法、采用高相干性的X射线相干散射实验方法、高通量生物大分子微晶衍射实验方法、超硬X射线技术及射线照相实验方法等相关设备，支撑工程材料、催化与能源、生命科学与生物医药、新材料等国家发展战略部署的前沿科学研究和课题。 在为众多用户提供常规技术支持的同时，也将为涉及国家发展战略和工业核心迫切需求的研究提供多维度、实时、原位的表征平台，以分析工程材料的结构并观察其性能。它们的进化的完整周期。 整个过程为材料的设计和控制提供信息。
HEPS建成后，将参考相关运行规范以及现有光源的开放共享经验，全天候运行。 按照“开放合作、资源共享”的原则，将向多用户、多领域开放。 相关机构的用户可以根据自己的需求定制方案。 ，选择对应的实验线站申请机器。
由于同步辐射装置可以为各学科前沿研究提供重要支撑，建设以同步辐射装置为核心的多学科研究平台，形成多学科、多设备的聚集效应，建设国家级大型实验平台。 它已成为大科学基础设施建设的发展趋势。 美国能源部下属的ANL、BNL、LBNL等实验室是一类以同步辐射装置为核心的综合性研究平台； EMBL、中子源、强磁场研究中心等设施也聚集在欧洲ESRF周围，形成集群效应。 ; 在英国，以同步辐射光源为核心的园区也采用同样的理念进行设计，日本的-8光源也聚集了大量的企业和科研设施。
HEPS的建设也考虑到了这一情况——它位于怀柔科学城北部核心区，是怀柔大设备集群中的核心设备。 其设计寿命为30年。 建成后将不断升级改造。 预计工作寿命50年以上。
HEPS作为大装置集群的核心装置，将与怀柔科学城建设的极端条件综合装置等其他设施和平台紧密结合，形成高端综合大装置集群，为国家重大战略提供技术支持。需求和前沿基础科学研究。 促进国家科技发展的支撑平台。
同步辐射设施是否存在辐射安全问题？
同步辐射是电离辐射，会损伤人体的一些组织结构。 公众应尽量减少接触或避免接触。 但无需恐慌。 一般来说，同步辐射装置采用一定厚度的重型混凝土墙、铅墙等一系列防护措施来隔离和吸收释放的电磁辐射。 因此，当同步辐射装置正常工作时，装置产生的辐射剂量会对外部环境产生负面影响。 影响很小，可以忽略不计。
HEPS正常运行情况下，设备附近居民一年受到的辐射剂量约等于乘坐15分钟飞机的辐射剂量。 同步辐射装置产生的辐射是瞬时的。 一旦加速器关闭，辐射场就会消失。
因此，居住在同步辐射光源附近的居民可以放心。 如果您在同步辐射源进行工作实验或参观同步辐射设施，只要遵循工作人员的指导，就不必担心辐射安全问题。
《光明日报》（2021年7月8日第16页）