北京懷柔雁棲湖畔，整體建筑形似放大鏡的高能同步輻射光源（HEPS）是我國正在建設(shè)的最新一代同步輻射光源。近日，其增強(qiáng)器正式通過工藝驗(yàn)收，這是HEPS建設(shè)過程中的又一重要里程碑。
HEPS通過三級(jí)加速器（直線加速器、增強(qiáng)器和儲(chǔ)存環(huán)）將電子加速至接近光速，同時(shí)產(chǎn)生同步輻射光，利用同步輻射光穿透性強(qiáng)、高亮度、高強(qiáng)度和寬能譜等特點(diǎn)，可以幫助人們洞察更為隱秘的微觀物質(zhì)世界，揭示物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)生成及演化機(jī)制。
人類的生存和發(fā)展離不開對(duì)光的利用和開發(fā)，人類文明史也是一部利用和開發(fā)光資源的歷史。除可見光外，光還包括無法用肉眼觀察的無線電波、微波、紅外線、紫外線、X射線、伽馬射線等。光的波長和能量決定了光與物質(zhì)的相互作用類型，不同波長的光可以像尺子一樣，測(cè)量不同尺度范圍內(nèi)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。若要探測(cè)宇宙星球，可以選用無線電波；而要在原子分子尺度探測(cè)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，則需要利用X射線。同步輻射光源是人類迄今所發(fā)明的最先進(jìn)的X射線產(chǎn)生裝置和光子科學(xué)研究平臺(tái)。它如同一個(gè)超精密、超快、超穿透能力的巨型X光機(jī)，通過小光束穿透物質(zhì)表層，深入內(nèi)部進(jìn)行立體掃描，從分子原子尺度觀察微觀世界。
同步輻射是指速度接近光速的帶電粒子在做曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)沿切線方向發(fā)出的電磁輻射，也叫做同步光。這個(gè)場景就像是在雨中快速轉(zhuǎn)動(dòng)雨傘，沿傘邊緣的切線方向會(huì)飛出一簇簇水珠。與常規(guī)X射線相比，同步輻射光具有寬波段、高準(zhǔn)直、高偏振、高亮度、高穩(wěn)定性等優(yōu)異性能，可以幫助人類觀察肉眼看不到的微觀世界。目前，全球正在運(yùn)行的同步輻射光源有50多臺(tái)，是數(shù)量最多、支撐學(xué)科范圍最廣的大科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)施，被譽(yù)為“前沿科研的眼睛”“科技的燈塔”。同步輻射光源在生物大分子結(jié)構(gòu)解析領(lǐng)域的相關(guān)研究已獲得5次諾貝爾獎(jiǎng)，是現(xiàn)代科學(xué)不可或缺的大型研究平臺(tái)。
要想看到物質(zhì)里的細(xì)節(jié)，就要有足夠的亮度。就像打個(gè)手電筒看東西，手電筒越亮，就能看得越清楚。光越亮，意味著探測(cè)的精度越高、速度也越快。迄今，同步輻射光源經(jīng)歷了4次重要的技術(shù)升級(jí)和發(fā)展。經(jīng)過第一代、第二代的積累，第三代同步輻射光源取得質(zhì)的飛躍，采用小發(fā)射度電子束以及特殊設(shè)計(jì)的插入型輻射元件，產(chǎn)生高亮度的同步光。2017年，科學(xué)家利用同步輻射光實(shí)現(xiàn)對(duì)完整木乃伊內(nèi)部完好無損的檢測(cè)，這是目前其他技術(shù)無法做到的。2020年，我國科研人員借助同屬于第三代光源的上海光源，率先解析新冠病毒關(guān)鍵蛋白的高分辨結(jié)構(gòu)。
當(dāng)前，全球已開啟第四代同步輻射光源，它將電子束進(jìn)一步減低1—2個(gè)量級(jí)，將光源亮度提高2—3個(gè)數(shù)量級(jí)，其產(chǎn)生的更高亮度和更高相干性的同步光有助于相干X射線成像等新興實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)材料科學(xué)、化學(xué)工程、能源環(huán)境、生物醫(yī)學(xué)、航空航天、科技考古等眾多基礎(chǔ)科學(xué)和前沿工程領(lǐng)域研究將產(chǎn)生重要推動(dòng)作用。全球現(xiàn)已建成3臺(tái)第四代同步輻射光源。未來5年，預(yù)計(jì)將再建成近10臺(tái)。
高能同步輻射光源是我國重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃確定建設(shè)的10個(gè)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施之一，是基礎(chǔ)科學(xué)和工程科學(xué)等領(lǐng)域原創(chuàng)性、突破性創(chuàng)新研究的重要支撐平臺(tái)。除了HEPS，我國已啟動(dòng)建設(shè)合肥先進(jìn)光源（HALF）。人們期待，隨著更多同步輻射光源的建成，人類對(duì)微觀物質(zhì)世界的探索將獲得更多成果。
（作者分別為中國科學(xué)院高能物理研究所研究員、工程師）