自主攻关：十年磨一剑的X光探测之眼

尽管我国在加速器技术上已达到世界一流水平，能够产生高品质的X光，但在X光探测这一关键领域，特别是高端科学仪器方面，长期以来一直受制于国外的垄断。

这种垄断不仅造成仪器价格高昂，推高了装置的建设成本，更重要的是，它限制了科学家对定制化仪器的需求，使得光源的全部性能无法得到完全发挥。因此，为了实现原始创新，国内科研团队决定从零开始，攻克自己的X射线探测器技术。

传统上探测X射线的方法，例如医院胸透所用的技术，是通过闪烁体材料将X光转换为可见光，再由可见光相机拍摄，这个过程中会损失精度。科研人员的目标是实现更高效的“直接探测”，让X光直接转换为电信号进行处理。

直接探测面临两大难点：一是X光的能量高，穿透性强，对多数材料而言如同“透明”。解决之道是利用高密度半导体材料，并在其中施加强大的电场，如同一堵厚厚的墙配上电网，使得X光插翅难逃。二是X射线难以被看清，即难以精确定位。这通过将探测材料划分成大量能独立工作的细密小单元，即像素，来精确记录X光被捕捉的位置信息，最终组合成清晰的图像。

探测器从结构上可以分为三个关键部分。传感器充当“眼睛”，负责感光和精确探测，其制造工艺要求极高洁净度。专用集成电路芯片作为“大脑”，处理转换来的电信号，其设计需要将复杂的功能集成到极小的像素单元内。设计中需要像进行精密外科手术一样处理微弱信号，同时还要高速搬运数据，避免相互干扰。

这款芯片采用了国内CMOS 130纳米集成电路工艺。连接传感器和芯片的是“神经”，采用了先进的倒装焊技术。这项工艺使用比头发丝还细的金属小球阵列将两者精密封装在一起，其密度极高，对加工精度提出了严格要求，直接决定了探测器的可靠性。

这项长达十年的研发工作，始于国内技术基础基本空白的困境，面临着巨大的技术和心理压力。但正是这种对打破“卡脖子”现状的不懈追求，促使团队解决了传感器、读出芯片和倒装焊这三大关键技术难关。

虽然后续将模块整合成可用的整机耗费了大量时间解决琐碎的工程问题，但最终研发出的第三代样机性能已完全可以对标甚至超越国际主流产品，实现了国产化替代。这些系统具备超高的动态范围，最亮与最暗点的亮度差别可超过100万倍，并且具有每秒超过1000张的高速成像能力，远远超过了之前的国际主流产品。

未来HEPS建成后，将有大批自主设计的探测器投入线站使用，最大版本的像素可达到600万。

超越极限的探索视野与科学愿景

HEPS作为理想的多学科交叉研究平台，其卓越性能将为我国基础科学和工业创新领域的原创性、突破性研究提供重要支撑。它能够提供纳米级别的空间分辨、皮秒级别的时间分辨和毫电子伏级别的能量分辨的同步光。

在生命科学领域，迄今为止，世界上约70%的已知生物大分子结构，如蛋白质、病毒等，都是借助同步辐射光解析的。我国科研人员曾借助第三代光源率先解析新冠病毒关键蛋白的高分辨结构。HEPS将支持更前沿的研究，包括灵长类脑成像及神经网络连接的三维成像解析。HEPS的高清成像技术也有潜力推广到医学成像等应用领域，例如观察药物如何与靶点作用，以辅助开发抗肿瘤药物。

在工程和材料创新方面，HEPS的“超级眼睛”能够解决工业生产中的实际问题。高能X射线穿透力强，使得高能射线衍射实验能深入大块样品内部，分析工件内部的晶粒、缺陷等关键结构信息，这对于航空航天领域的材料研究（如探察航空工程材料的微结构缺陷）至关重要。它还可以通过原子级别逐个探测芯片表面，为破解芯片“卡脖子”难题提供支撑。此外，HEPS还能帮助研究人员观察锂离子在电池中的移动过程，从而找到提高电池容量和寿命的方法。

同步辐射光源的应用充满了趣味性。例如，科学家利用欧洲同步辐射光源（ESRF）的X射线粉末衍射技术，成功确定了可可脂关键成分的晶体结构，构建了能实现入口即化的结晶V的结构模型。这项研究直接促进了新专利的诞生，有助于克服巧克力表面形成“反霜”的问题，从而提升巧克力的口感。

另一个例子是，研究人员利用美国阿贡国家实验室的先进光子源（APS），通过相位衬度成像技术，观察活体蚊子吸食液体，并发现了蚊子吮吸的两种模式，包括前所未见的“爆发模式”，该模式的流量比连续模式高出27倍，其发现为微流控医疗装置的研发提供了新思路。

APS光束线分布示意图

铸就国之重器：HEPS的里程碑与深远影响

HEPS作为《国家重大科技基础设施建设“十三五”规划》优先布局的项目之一，于2019年6月在北京怀柔科学城开工建设。工程技术人员仅用了三年多的时间就完成了土建部分的建设。在安装过程中，储存环的1776台磁铁安装精度误差小于50微米，再次创造了中国奇迹。整个建设过程有力地提升了我国在精密机械、光学、探测器等技术领域的设计和制造能力。

工艺验收专家组一致认为，HEPS项目完成了批复的相关建设内容和任务，综合性能达到国际同类装置的领先水平。加速器和光束线站的关键指标均已通过或优于验收指标，例如硬X射线纳米探针线站的光斑尺寸已达到12.5纳米。

目前，HEPS已建设有首批14条用户光束线站和1条测试线站。工程总指挥潘卫民研究员表示，HEPS预计将在今年底开启试运行，并在明年6月国家验收完毕后正式投入运行。

HEPS是建设科技强国、实现高水平科技自立自强的利器。它的价值不仅在于实现了我国同步辐射光源的代际跨越，更在于其对科研成本的巨大节省和对产业的推动作用。以自主研发的探测器系统为例，每台可节省数百万元人民币，未来90多条线站的建设将节省数亿元的科研成本，这些资金可以投入到更先进的前沿探索中。

同时，通过十年积累，团队具备了整体系统开发能力，能够根据科学家的需求定制全新的探测器系统，确保与光源的共同升级。这座世界上设计亮度最高的第四代同步辐射光源，将为我国在能源、环境、生物医学、新材料等基础和应用领域的研究提供强大的技术支撑，持续推动科技创新与产业创新深度融合。

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