【文/王志帆 编辑/周远方】

2026年3月29日，北京中关村论坛年会现场，一项重磅成果刚一公布，就引得全场目光聚焦——中国自己的“超级显微镜”HEPS，已经建成试运行了。这台“超级显微镜”发出的光，比太阳还要亮1万亿倍。

如果太阳是一盏100瓦的灯泡，那HEPS的光芒就像把一座城市的全部灯光汇聚到针尖那么大的一个点上。不过严格来说，HEPS本身并不是一台显微镜——它是一台给全世界科学家使用的超级“探照灯”。它只负责发出那束亮得惊人的光，科学家用这束光照亮样品后，再通过专门的光束线站、探测器和计算机算法，像“拼图”一样重建出样品内部的三维结构。有了它，每一台真正的显微镜都能看得比从前更远、更清。

HEPS在100毫安高流强稳定供光

它坐落在北京怀柔科学城，是亚洲第一座、全球仅有的几座之一的第四代同步辐射光源。从2025年12月启动试运行到现在，短短几个月里，它已经为91家单位完成了200多项前沿课题实验，提供了近5000小时的“用光”时间。

从“意外发现”到“国之重器”：同步辐射的80年进化史

这束光的故事，要从1947年的一次意外讲起。美国通用电气公司的研究人员在调试加速器时，发现电子在转弯时沿着切线方向"甩"出了一种强烈的X射线。起初他们只当是能量损耗，后来才意识到这是扫描原子世界的"超级探照灯"。从那以后，美国、欧洲、日本纷纷投入巨资建设同步辐射光源，它成了衡量科技实力的"国之重器"。

中国从20世纪80年代开始追赶，先后建成了北京同步辐射装置和上海光源，但始终跟在别人后面——不是我们不够努力，而是第四代光源的技术太难了：要把电子束的发散度压缩到一根头发丝的一亿分之一，要在比拳头还小的磁铁孔里维持超高真空，还要在别人按年计算的调试周期里只用几十天完成。

这些"卡脖子"难题，被中国科学家一个个硬啃下来：他们创新设计出新型磁铁结构，自主攻克了探测器和真空镀膜技术，甚至在安装现场"穿针引线"般完成了上千块磁铁的亚毫米级对位。最终，比太阳亮1万亿倍的光，第一次从北京怀柔科学城射出——这束光，成了中国的"国之重器"。

左：北京高能同步辐射光源（HEPS）中：上海同步辐射光源（SSRF）右：合肥先进光源（HALF）

HEPS如何“生产”比太阳亮1万亿倍的光？

走进怀柔科学城，你会看到一片占地127亩的白色建筑群，相当于12个标准足球场那么大。核心是一个周长1360米的电子储存环——你可以把它想象成一个巨型的环形赛道，只不过赛道上奔跑的是一群接近光速的电子。

高能同步辐射光源全景（航拍图）

整个过程可以概括为三步：首先，电子枪发射出电子束，就像起跑线上的运动员；接着，直线加速器和增强器像两级火箭一样，把电子的能量推到60亿电子伏特——这个能量大概相当于把一只蚂蚁加速到接近光速时携带的能量；最后，高能电子冲进储存环，在精心设计的磁场中转弯、振荡，释放出X射线。

为了把电子束的"发散度"压到极致，科学家采用了一种名为"纵向梯度、反向弯转二极磁铁相结合的紧凑型混合多弯铁消色散结构"的复杂设计，最终将自然发射度降低到约56.8皮米·弧度。1皮米是一米的一万亿分之一，这相当于把一根头发丝分成数千万份，只取其中一份那么细。真正让HEPS"光芒万丈"的，是波荡器——它由一排正负交替的磁铁构成，电子穿过去时会像蛇一样左右扭动。每扭一次就发出一束光，无数个周期产生的光相互叠加、同步增强，亮度呈指数级暴涨。

HEPS储存环、增强器及输运线的布局

这就像合唱团里每个人单独唱很普通，但所有人声部精准对齐，音量就能震翻全场。

最终，HEPS发出的X射线比太阳亮1万亿倍，比医院里拍胸片的X光机亮10万亿倍。与第三代光源相比，它的亮度提升了100到1000倍，是全球设计亮度最高的第四代同步辐射光源。它的X射线能量最高可达300 keV（硬X射线），能轻松穿透金属；空间分辨率达到12.5纳米，能看清单个病毒；时间分辨率达到皮秒级——1皮秒等于一万亿分之一秒，足以拍下化学键断裂的那一瞬间。

这束光能“看”清什么？

首先，它能看清航空发动机叶片内部的缺陷。飞机发动机的涡轮叶片工作时，要承受上千度的高温和几十个大气压的冲击。如果内部藏着一丝裂纹，飞行中就可能导致灾难性后果。

传统检测手段很难无损地透视金属内部的微小缺陷，但HEPS的高能硬X射线就像一台超级工业CT，能轻松穿透几厘米厚的镍基高温合金，把叶片内部的三维结构拍得一清二楚。试运行期间，这个方向已经取得了重要成果。

硬X射线纳米探针线站：HEPS研制多层膜劳埃透镜的水平、垂直聚焦散焦图（第三次现场测试数据），水平聚焦半高宽10.5nm，垂直聚焦半高宽12.6nm

其次，它能看清蛋白质的原子结构。很多靶向药的工作原理，就像一把钥匙插入一把锁——药物分子精确地结合到某个蛋白质上，从而阻断病毒或癌细胞的生长。但要设计这把“钥匙”，首先得知道“锁芯”长什么样，也就是蛋白质的三维原子结构。

过去在第三代光源上解析一个蛋白质结构，往往需要连续数周的实验。而HEPS的亮度提高了100到1000倍，原来几周的工作，现在几个小时就能完成。这对研发新药、理解生命奥秘来说，无疑是巨大的加速。

第三，它能看清化学反应的实时过程。化学反应究竟是怎么发生的？比如氢气和氧气燃烧变成水，中间经历了哪些惊心动魄的变化？传统实验只能看到反应前后的状态，中间的过程就像一个黑匣子。

HEPS的脉冲结构相当于一台皮秒级高速摄像机——每秒能拍一万亿帧画面。用它来“拍摄”化学反应，就能亲眼看到化学键断裂、原子重新组合的每一个瞬间，简直是一部精彩的“分子电影”。

第四，它能看清纳米材料的性能奥秘。当材料的尺寸小到纳米尺度——1纳米只有头发丝直径的六万分之一——它的性质会发生神奇的变化。比如铜本来不透明，但纳米铜薄膜可以是透明的；金本来是金色的，但纳米金颗粒却可以变成红色的。

要看清这些纳米材料的结构，传统显微镜无能为力。而HEPS的相干衍射成像技术，可以绕过透镜的物理极限，直接通过计算反推出纳米晶体的三维原子排布。这对研发下一代芯片、高效催化剂和超强材料至关重要。

HEPS连续76小时无故障100毫安稳定供光运行

试运行成果：已为200余项课题提供近5000小时机时

从2025年12月3日启动试运行，到2026年2月中旬，短短两个半月里，HEPS已经展现出强大的科研服务能力。它服务了91个单位，包括清华、北大等顶尖高校，以及比亚迪、宁德时代等行业领军企业；完成了200余项课题实验，覆盖了航空叶片检测、3D打印材料动态结构捕捉、高铁轮毂应力检测、液态和固态电池原位工况检测、脑神经连接图谱绘制、半导体纳米结构成像等前沿方向；累计提供了近5000小时用户机时，相当于每天24小时不间断运行了200多天。

每一项成果都不是纸上谈兵，而是实实在在的突破。比如在电池研究领域，HEPS能够实时观察充放电过程中，锂离子在电极材料里的“迁徙”路径，这为科学家设计更安全、续航更长的电池提供了前所未有的视角。

开展实验的场景

从“跟跑”到“并跑”再到“领跑”

HEPS的建成，让中国的同步辐射光源实现了从“追随”到“领跑”的历史性跨越。目前，全球仅有5台第四代同步辐射光源：瑞典的MAX-IV（2015年运行）、巴西的SIRIUS（2020年运行）、欧洲的ESRF-EBS（2020年升级完成）、正在建设中的美国APS-U，以及中国的HEPS。HEPS不仅是亚洲第一台，而且综合性能达到了国际同类装置的领先水平。

更值得骄傲的是，大量关键技术都是中国自主研发的。例如，HEPS需要大量X射线探测器，如果全部进口，一台就要数百万元。而中科院团队经过十年积累，形成了完整的探测器自主研发能力，每台自主研制的探测器可节省数百万元，全部90多条线站建下来，仅探测器一项就能节省数亿元。这背后，是一支高水平科研队伍的茁壮成长，也是科技创新与产业创新深度融合的生动体现。2026年3月，HEPS已经启动了首轮课题征集，来自全国乃至全球的科学家都可以申请机时，开展前沿研究。

未来已来：预计2026年正式开放

根据计划，HEPS将于2026年通过国家验收后正式投入运行。届时，首期建设的14条用户光束线站加上1条测试线站将全部开放，覆盖成像、衍射、散射、谱学等多种实验方法，能够支撑材料科学、生命科学、能源环保等多领域的研究。

更令人期待的是，HEPS的设计容量不少于90条高性能光束线站——未来，它会像一个不断扩张的“光之超市”，科学家们可以根据自己的需求，选择不同波长、不同分辨率的“光产品”，去照亮各自领域未知的黑暗。