【文/观察者网 心智研究所】

2025年10月29日，在北京怀柔科学城，国家重大科技基础设施建设项目——高能同步辐射光源（HEPS）顺利通过了工艺验收。这座世界上设计亮度最高的第四代同步辐射光源，如同我国探索微观世界的“巨型X光机”和“大国重器”，预计将在今年年底正式开启试运行。

从空中俯瞰，这座宏大的装置形似一个超级放大镜，其建成标志着我国同步辐射光源实现了代际跨越，将为解决国家重大需求和前沿科学问题提供强大的技术支撑。

照亮微观世界的“巨型X光机”

要理解HEPS的强大，必须首先明确它所发出的光线及其特性。

HEPS发出的光是肉眼看不见的X光，即X射线，它是一种波长极短的电磁波，波长介于0.01到100埃之间。由于物质微观结构中原子和分子之间的距离，大约在1到10埃的范围，恰好落在了X射线的波长内，因此，X射线通过与物质发生散射、衍射和吸收等作用，能够传递极其丰富的微观结构信息，使其成为探测物质微观结构的理想探针。HEPS的巨型X光机能让科学家们比以往任何时候都更细致地观察物质的微观世界。

HEPS产生X光的方式被称为“同步辐射”，其原理可以形象地理解为雨中转动的雨伞：接近光速运动的带电粒子（在HEPS中是电子）在磁场中做曲线运动时，会沿着弯转轨道的切线方向，像水珠飞出一样，发射出连续的电磁辐射。这种现象最初是在1947年于电子同步加速器上被意外观测到的。

HEPS的“高能”特性意味着其电子束流能量高达6 GeV，这是我国第一台高能量同步辐射光源。高能量使得HEPS能够提供能量高达300 keV（千电子伏特）的硬X射线，这种射线穿透能力极强，可以深入大块样品内部进行高分辨探测，对于分析航空发动机叶片、探察工件内部的缺陷，以及开展极端条件实验等国家重大需求研究至关重要。

HEPS最引人注目的性能指标是它的亮度。亮度是衡量光源品质的最关键参数，HEPS的光比普通X光机亮10万亿倍，比太阳的亮度高1万亿倍。作为第四代同步辐射光源，它的X射线亮度比第三代光源还要高出100到1000倍。更高的亮度意味着更高的信噪比、更高的探测精度以及更快的实验效率。

此外，同步辐射光还拥有宽波段连续可调、方向性极强的高准直性、高偏振性以及脉冲结构等优异性能，特别是脉冲结构，对于研究化学反应过程、生命过程等“变化过程”非常有用。

跨越代际的“三级火箭”与技术飞跃

HEPS是我国和亚洲建设的首个第四代同步辐射光源项目。这座大科学装置的工作原理是通过“加速电子，生产光”。整个加速器系统由三台独立的加速器构成，犹如一枚“三级火箭”。

首先，电子枪产生的高品质电子束，经过长约49米的直线加速器加速到0.5 GeV。这台“一级发动机”已于今年6月通过了工艺验收。

随后，电子束被注入周长450多米的环形增强器，进一步将能量提高到额定的6 GeV，增强器也已通过了工艺验收。

最后，6 GeV的电子束团被注入周长约1360米的储存环，这座环形建筑占地面积可以容纳20个足球场。电子束以接近光速的速度在储存环内回旋运行，在通过弯转磁铁或像“芒果”型扭摆器等插入件时，沿切线方向释放出稳定且高能量、高亮度的同步辐射光。

第四代同步辐射光源的核心技术突破在于实现了极低的电子发射度。发射度是衡量电子束流品质的关键参数，发射度越小，光束的横向分散程度越小，光束品质就越好，亮度也就越高。HEPS储存环的设计发射度约为35 pm·rad，在国际同类已建及在建光源中，是自然发射度指标最高的储存环设计方案之一。

为了达到这一超低发射度目标，HEPS在国际通用的多弯铁消色散（MBA）结构基础上进行了创新，融合了包括纵向梯度二极铁等新型单元节在内的多项设计。在性能工艺测试中，HEPS加速器的各项指标都达到了甚至优于验收指标，例如储存环的束流能量实测为6.01 GeV，水平自然发射度为0.0568 nm·rad。

HEPS的精密性也体现在其极高的稳定性上，例如在今年9月的一次调束过程中，HEPS完整而清晰地记录了堪察加东岸附近海域发生的7.8级地震所导致的地面波动，轨道异常波动峰值达到了约330微米，这充分展示了其超高的束流品质和卓越的灵敏度。