在浩瀚無垠的宇宙中，萬物皆有其獨特的奧秘。從巨集觀的星辰大海到微觀的原子世界，人類的好奇心從未停歇。如果我們能夠親眼看到組成萬物的原子和分子，那將是多麼震撼的景象！但現實是，這些微觀粒子實在太小了，超出了我們肉眼甚至普通光學儀器的觀測範圍。因此，科學家們需要藉助更高級的工具來照亮這片未知的領域。

圖1 各種波長的光譜圖

有一種神奇的光源，它如同探索微觀世界的“超級顯微鏡”，以其獨特的魅力和無限的潛力，引領著科學家們向未知的領域邁進。它，就是我國科技界的一項壯麗成就——第四代高能同步輻射光源裝置（HEPS）。

HEPS，是一種利用帶電粒子在加速器中高速運動時產生的輻射光來照亮微觀世界的裝置。該裝置賦予了科學研究前所未有的“透視”利器。這種同步輻射不僅覆蓋了從紅外線到X射線的廣闊波段，而且具有超高亮度、連續可調、高准直性等優越性能，能夠穿透物質表面，揭示其內部的精細結構。如同一盞明燈，它應運而生，在漆黑的微觀世界裡照亮了無數未知的角落，讓我們得以窺見那些隱藏在日常生活表像之下的秘密。

從夢想到現實，四代光源的璀璨飛躍

我國的同步輻射光源研究始於20世紀80年代，最早可以追溯到北京正負電子對撞機（BEPC）上運行的北京同步輻射裝置（BSRF）。BSRF是在粒子加速器基礎上開發出的附屬研究工具，主要用於提供初步的同步輻射光源。如同全球的第一代同步輻射光源，BSRF也主要依賴於粒子加速器產生同步輻射，光源性能和時間脈衝結構都受到了一定的限制。北京正負電子對撞機上的北京同步輻射裝置（BSRF）作為先驅，開啟了探索的序幕。這不僅是技術的啟蒙，更是夢想的萌芽。

隨著科技的不斷發展，為了更高效地利用同步輻射光源，我國開始設計和建造專用於同步輻射研究的裝置。合肥同步輻射光源（HLS）就是這一時期的代表性成果。HLS是專門為同步輻射研究設計的裝置，採用了在粒子加速器中加入插入件的方法，它們由極性交替的週期性磁體陣列組成，當電子經過磁體時會進行震蕩運動，而磁體的週期排布將電子震蕩運動時產生的輻射進行疊加，一定程度上提高了同步輻射的強度，為科學家們提供了更為精準而強大的研究工具。

圖2 合肥同步輻射光源（HLS）

進入21世紀，隨著全球同步輻射技術的快速發展，我國也迎來了第三代同步輻射光源的建設高潮。上海光源（SSRF）作為我國乃至世界上最為先進的第三代同步輻射光源之一，標誌著我國在同步輻射技術研究領域的重大突破。SSRF大量使用了插入件技術，不僅保留了第二代的性能優勢，還顯著提高了光源的亮度和解析度、增強了光源的偏振性和相幹性。

圖3 上海光源（SSRF）

從早期的北京同步輻射裝置（BSRF）到合肥同步輻射光源（HLS），再到上海光源（SSRF），每一代都代表了技術上的巨大進步。然而，這些光源在亮度和能量上仍有進一步提升的空間。於是，科學家們把目光投向了更遠的未來——第四代高能同步輻射光源裝置（HEPS）。它將成為我國乃至世界上最先進的高能同步輻射光源之一，這顆璀璨明珠，正引領我們向微觀世界的更深處進發。

HEPS啟航破迷霧，解密微觀新視界

那麼，高能輻射同步光源（HEPS）究竟是如何工作的呢？

下雨天，當我們快速轉動雨傘，沿傘邊緣的切線方向，會飛出一簇簇水珠。光源的加速器好似這把雨傘，水珠就是x光，我們稱之為同步輻射光。換言之，你可以將強磁場想像成遊樂園的旋轉木馬設施，當你手中的螢光棒隨著木馬快速旋轉時，便能展現出一條條光亮的軌跡。同樣，當電子以接近光速的速度在環形加速器中高速旋轉時，它們也會在其切線方向激發出強烈的光輻射，擁有驚人的能量。

從空中俯瞰高能同步輻射光源建築群，在主裝置區域裡邊是HEPS裝置的核心，包含加速器、光束線、實驗站三個部分。高能同步輻射光源的簡稱是“高能光源”，作為國家重大科技基礎設施，高能光源主要由直線加速器、增強器、儲存環、三個加速器和多條光束線站構成，這些部分共同協作，將電子加速到極高的速度，並在其運動過程中產生同步輻射光。

圖4 高能同步輻射光源建築群

圖5 高能同步輻射光源構成圖

通過調整加速器的參數，科學家們還可以精準控制同步輻射的波長和強度，為科學探究“定製”光束。這些同步輻射光經過一系列精密的光學系統處理後，變得非常純凈且能量集中。它們被輸送到實驗站，供科學家們使用各種先進的儀器進行科學實驗。在這裡，科學家們擁有了“透視眼”，利用同步輻射光穿透物質表面的能力，揭示出物質內部的微觀結構和動態變化過程。

獨步風騷，照亮科研未來道

HEPS繼承了前三代光源的優點，不僅如此，相比前三代同步輻射光源，HEPS具有許多獨特的優勢。在亮度、能量、解析度等方面實現了質的飛躍，照亮探測微光世界的能力更強，可以更深地穿透物質，進行立體掃描，揭示物質微觀結構生成及演化機制。

首先，它的亮度極高，是太陽的1萬億倍，這意味著它可以更清晰地照亮微觀世界，發現更多隱藏的細節。其次，HEPS產生的同步輻射光具有超高解析度，能夠捕捉到物質內部微小的變化過程。最後，HEPS還具備精準的時間解析度，可以即時觀測物質在極短時間內的動態變化。

這些優勢使得HEPS在多個領域具有廣泛的應用前景。同步輻射裝置作為一種高科技實驗設備，現已成為科學研究不可或缺的重要工具。隨著時代的不斷推進，同步輻射技術不僅已在材料科學、環境科學、生命科學等多個領域中做出卓越的貢獻，而且還有望為量子計算、納米技術、能源科學等前沿領域照亮科研的征途。

在材料科學領域，借助HEPS，科學家們能對半導體等其他材料進行微觀結構分析、化學成分檢測以及性能評估，這對於新型材料的研發、性能優化及失效機理分析具有重要的意義；在航空航天領域，HEPS可以幫助科學家們研究新型工程材料的微觀結構和性能，為製造更先進、更輕、更耐用的飛機和火箭提供科學依據；在生命科學領域，HEPS可以揭示病毒蛋白質的結構和功能，為開發新型藥物和疫苗提供重要線索。

築夢懷柔，壯麗建設展巨集圖

HEPS的建設是一項龐大而複雜的工程，需要多學科、多領域的專家團隊共同努力。在北京懷柔科學城，這座高科技的“巨無霸”正在緊鑼密鼓地建造中。從設計規劃到施工建設，每一個環節都凝聚著科學家們的智慧和汗水。

2023年3月14日，HEPS迎來了一個重要的里程碑——成功加速第一束電子束。這標誌著該光源正式進入科研設備安裝、調束並行的關鍵階段。預計在未來兩年內，HEPS將全面建成並投入使用，為我國乃至世界的科學研究貢獻強大的力量。

圖6 HEPS加速電子束

HEPS不僅將成為我國科學研究的重要平臺，還將促進國際交流與合作，推動全球同步輻射光源技術的發展。

回顧同步輻射的發展歷程，我們不禁為人類的智慧和勇氣所折服。從最初的設想到如今的廣泛應用，每一步跨越都凝聚著無數科學家的心血和汗水。正是他們對科學的熱愛和執著追求，才能讓我們得以窺探並感慨微觀世界的奧秘，推動著文明進步。

在這個機遇與挑戰並存的時代，我們應攜手並進，去探索未知的科學領域。相信在不久的將來，同步輻射技術會解鎖更多的宇宙奧秘，讓世界因科學之光而更加輝煌。同時我們也應珍視每一次科研探索的機遇，積極培育科學思維，為未來的科學事業開啟新的篇章。