HEPS裝置結構示意圖 圖片由中科院高能所提供
從空中俯瞰，位于北京懷柔科學城的高能同步輻射光源(HEPS)整體建筑形似一個放大鏡，寓意為探測微觀世界的利器。HEPS是國家“十三五”重大科技基礎設施，由國家發展改革委立項支持、中國科學院高能物理研究所承擔建設。它是我國第一臺高能量同步輻射光源，也是世界上亮度最高的第四代同步輻射光源之一。日前，HEPS成功安裝了首臺科研設備，為其提供技術研發與測試支撐能力的先進光源技術研發與測試平臺(PAPS)同期轉入試運行。這意味著，HEPS將逐漸轉入科研設備安裝和調試階段，建成后，將為基礎科學和工程科學等領域原創性、突破性創新研究提供重要支撐平臺。
強大的物質結構探針
X射線作為探測物質結構的探針，其光源亮度是最為關鍵的指標——更高的亮度意味著可以在空間、能量、時間等維度上獲得更好的分辨能力和更高的實驗效率，也就是說，能將物質內部的微觀結構“看”得更清楚。因此，獲得更高亮度的X射線源一直是科學技術人員孜孜不倦追求的目標。由倫琴發現X射線所使用的裝置發展起來的固定靶、轉靶X光機，已經為X射線的應用立下了汗馬功勞，如今仍在實驗室中使用。但是，這類儀器的亮度有一個無法逾越的“天花板”。
同可見光和X光一樣，同步輻射光本質上也是一種電磁輻射。根據電動力學定理，自由電子在做變速運動時，將產生電磁輻射，包括：電子運動速率發生變化時，在運動前向產生的軔致輻射;電子運動方向發生改變時，在運動切線方向產生的同步輻射。同步輻射就是由以接近光速運動的電子在磁場中做曲線運動時所產生的電磁輻射。由于這種輻射是1947年在電子同步加速器上觀測到的，因而被命名為“同步輻射”。
與常規X射線相比，同步輻射光源產生的同步輻射光具有獨特的優點：頻譜寬，同步輻射光波長連續可調，覆蓋紅外、可見光、紫外和X射線波段，可根據需要，利用單色器選取不同波長的光，進行單色光實驗;加速器中的電子分布不是連續的，而是一團一團的電子束在做回旋運動，因此，產生的同步輻射也是脈沖的，具有時間分辨;同步輻射的發散角小，光線幾乎是平行的，因此，其利用率和分辨率均大幅提高;亮度大，與常規X光機產生的X光相比，同步輻射光的亮度高出約4-14個量級，可用于高分辨的實驗。
回顧科學發展歷史，同步輻射光源對科學技術發展的廣度和深度有不可比擬的影響，已經成為科學研究最為有力的支撐平臺之一。所有的電磁波探針實驗技術，從紅外、可見光、真空紫外、軟X射線直到硬X射線的波段，同步輻射裝置都可以為實驗提供高性能的光源。研究者可以通過使用各類與同步輻射相關的技術手段，探測樣品的原子、電子、聲子、磁性等結構，并且可以在各種外加條件(如高/低溫、高壓、強磁場、強電場、腐蝕性環境)下進行實驗，不僅可以探測體相的結構，也可以探測表面、界面的結構細節。由于同步輻射具有很高的光亮度和光通量，在同步輻射上進行的實驗可以達到實驗室光源無法企及的效率和精度，并且有大量的實驗手段只有在同步輻射研究設施里才可能實現。迄今為止，在同步輻射上開展的研究已經獲得了5次諾貝爾獎。
除了在基礎科學研究領域，同步輻射還在工業應用中發揮重要作用。現今的工業已經不再是單純依靠產能或是數量取勝的時代，科技創新是引領工業發展的引擎。同步輻射裝置所涉及的綜合性的強大實驗、研究能力，可以把多種學科、不同的實驗方法匯集在一起，針對工業應用中的多種問題開展多方面的研究，形成工業創新的源頭。在世界上幾個大型同步輻射裝置中，來自工業研發部門的用戶大致占用戶比例的7%～9%，并有逐年增加的趨勢，有一些企業甚至在光源里中建有自己專用的線站。
這種強大的支撐能力，使得世界各國都先后加大對同步輻射研究設施的建設投入，使同步輻射成為世界上數目最多的大科學裝置。同時，伴隨著基礎科學、國家需求的不斷發展和時間的推移，新建的同步輻射裝置性能也逐漸提高。
四代發展史，更高更強的追求
同步輻射光源自1947年誕生以來，隨著研究深度及范圍的擴展，經歷了四代發展階段：
第一代同步輻射光源寄生于用于高能物理實驗的對撞機，由于同步輻射實驗的要求與高能物理實驗的要求并不一致，因此，第一代同步輻射光源應用于同步輻射研究的性能和時間都受到限制。
第二代同步輻射光源的儲存環是為同步輻射研究專門建立的，使用了少量的插入件，加速器的設計也是以優化同步輻射光性能為基礎。
第三代同步輻射光源是基于發射性能更高的同步輻射光設計的。除了利用彎鐵外，第三代同步輻射裝置還注重在更多的直線段中安裝周期性磁場的磁鐵部件(這些部件稱為插入件)，以得到性能更好的同步輻射光。
第四代同步輻射光源則是極低發射度的儲存環光源。隨著瑞典的MAX IV等低發射度儲存環光源的成功，這一技術逐漸被公認為環形同步輻射光源的發展方向。采用新的加速器結構獲得極低發射度，在束線設計中考慮X射線的相干性，是第四代同步輻射光源的特點，其更加優異的亮度和相干性，也使得系列全新的實驗方法得以實現。
迄今，世界上有50多臺同步輻射光源運行在23個國家和地區。于20世紀90年代相繼建成的歐洲同步輻射裝置ESRF、美國先進光子源APS和日本超級光子環SPring-8等第三代同步輻射光源，其電子發射度在3nm·rad左右，目前仍是同步輻射設施的主力，顯示出了這類大型裝置的長久生命力。
同時，新的裝置還在不斷建設中，目前同步輻射裝置是數量最多、支撐學科范圍最廣的大科學實驗設施。上文提到的第四代同步輻射光源——瑞典MAX IV光源使用新的加速器設計，即多彎轉磁鐵消色散(MBA，目前主流的設計為7彎鐵結構，即7BA)的光源正逐步成為未來同步輻射光源建設的潮流，這種MBA結構的設計，可以使儲存環的電子發射度降低到0.1nm·rad以下，比早期的第三代光源的亮度至少提高2個數量級。這個長足的進步可以使同步輻射的相干性變好，保證實驗的分辨能大幅度提升，可以促使一大批新興的實驗技術開展，帶來各個學科領域研究的新機遇。
我國大陸和臺灣地區現有5臺同步輻射裝置：北京同步輻射裝置(BSRF)、合肥同步輻射光源(HLS)、上海光源(SSRF)、臺灣光源(TLS)、臺灣光子源(TPS)，都處于中、低能區，光譜亮度在大于40keV能量的硬X射線波段與國際上的先進高能光源存在著明顯的差距。
1989年建成的北京同步輻射裝置是依托于北京正負電子對撞機的第一代同步輻射裝置，運行在2.5GeV，有14條光束線和15個實驗站，覆蓋波段較廣，從真空紫外到硬X射線。由于是兼用光源，每年只有約2000小時同步輻射專用機時，利用上受到很大限制。北京正負電子對撞機重大改造工程(BEPCII)完成后，大部分束線可以在對撞模式下兼用運行，機時緊缺的問題得到了一定程度的改善。
1990年建成的合肥同步輻射光源是束流能量為800MeV的第二代同步輻射光源，有14條光束線、14個實驗站，主要工作在真空紫外和軟X波段。
與國際狀況類似，北京同步輻射裝置和合肥同步輻射光源上的科學研究也非常活躍。兩個裝置每年接待上千用戶，開展600個左右科學實驗，發表數百篇論文。近年來，隨著光源性能和用戶科研水平的提升，陸續產生一些具有較大國際影響的成果。但遺憾的是，北京同步輻射裝置和合肥同步輻射光源的性能和提供的機時都遠遠不能滿足用戶需求。
2009年建成的3.5GeV的上海光源為中能第三代同步輻射裝置。目前已有16條光束線站投入運行，并已成為我國先進光源的主力。為進一步提高上海光源的技術和科研支撐能力，2016年11月上海光源線站工程啟動建設，新建16條性能先進的光束線站和實驗輔助系統。
臺灣已有的1.5GeV的第三代同步輻射光源TLS于1994年投入運行。根據臺灣同步輻射應用發展的需要，2004年確定了建設更為先進的3GeV第三代同步輻射裝置TPS的計劃。TPS已于2010年動工，于2015年建成，其亮度達到1021phs/mm2/mrad2/s/0.1%BW，被稱為“亞洲最亮的3GeV同步輻射光源”。
我國現有的同步輻射裝置在培養國內的同步輻射用戶隊伍上起到了重要的作用，并且支撐了國內基礎科學的發展，尤其是上海光源在凝聚態物理、化學以及結構生物學上起到了很重要的支撐作用，大幅度提升了上述學科的水平。
HEPS，為國家需求和前沿基礎科學研究而生
40keV以上的高能X射線具有穿透能力較強等優勢，使對真實工件的高精度微觀結構研究成為可能，例如高能射線衍射、高Z元素的譜學、極端條件下的實驗、高密度和(或)大尺度樣品成像等國家重大需求密切相關的研究。它們需要的是兼具高亮度和高能量的硬X射線，這種硬X射線只能由高能、小發射度的同步輻射光源來提供。
HEPS是我國第一臺高能量同步輻射光源，也將是世界上亮度最高的第四代同步輻射光源之一。其儲存環加速器的電子束流能量為6GeV，可提供300keV的高能X射線，將有效滿足國家戰略和工業核心創新能力等相關研究對高能量、高亮度的X射線的迫切需求，使得我國的同步輻射光源向高能區擴展，和我國現有的光源形成能區互補，進一步滿足用戶迅速增長的需求，保證同步輻射光源對我國科學研究具有可持續的支撐能力。
HEPS主裝置主要包括加速器、光束線和實驗站3個部分。其加速器由直線加速器、增強器和儲存環三臺獨立的加速器，以及連接彼此間的3條輸運線組成。加速的帶電粒子為電子，首先由源頭的電子槍產生高品質的電子束，再由直線加速器將電子加速到0.5GeV的能量。增強器將0.5GeV的電子束加速到額定的6GeV。達到6GeV的電子束團由增強器環里引出，再注入專門為電子發光準備的儲存環中。
電子束團在儲存環的環形軌道中以接近光速的速度，在儲存環上的不同位置，通過彎轉磁鐵或者各種插入件時，按照經典電動力學的法則，會沿著偏轉軌道切線方向，從彎轉磁鐵或者各種插入件發射高品質、高能量、高強度的連續或可調光譜的同步輻射光。這也就是為什么同步輻射裝置都是環形的原因。HEPS儲存環加速器由48個周期的結構單元(7BA消色散結構)構成。HEPS可利用儲存環7BA單元節中間部分的縱向梯度二極磁鐵，產生寬譜同步輻射光，滿足傳統科研領域用戶需求。另外，每個7BA周期單元之間還有一個6米長的直線節，除部分單元的直線節用于安裝電子束流注入引出系統、高頻系統，大部分單元的直線節都用于安裝不同類型的先進插入件，以引出高性能同步光。通過合理優化設計插入件，可產生高于1×1022phs/(mm2·mrad2·0.1%BW)量級的世界最高亮度的、能量高達300keV的同步輻射光。
從電子儲存環引出的同步輻射光，經光束線上的高精度壓彎、單色器、聚焦鏡等一系列精密光學系統分光、準直、聚焦等再加工后，HEPS可提供nm空間分辨、ps時間分辨、meV能量分辨的同步光。
各領域的用戶在實驗站利用各種實驗儀器開展各自的科學實驗。HEPS建設高性能光束線站的容量不少于90條，根據高亮度、高能量、高相干性等特點，HEPS光束線站瞄準國家發展戰略和科學前沿發展，參考國際上高能量同步輻射裝置光束線站的設置，同時也考慮經費限制和建設工期等具體情況，在廣泛調研和多次研討的基礎上，確定了首批建設14條面向用戶的公共光束線和相應的實驗站。其中，11條束線的實驗站位于實驗大廳建筑內，有3條100米以上的超長光束線，其光束線穿越實驗大廳建筑后，在大廳外面建設實驗站。
各線站有其擅長的實驗方法，比如有可利用連續光譜的X射線吸收譜學、利用高相干性的X射線相干散射實驗法、高通量生物大分子微晶衍射實驗法、超硬X射線成像實驗方法等的技術和相關設備，支持工程材料、催化與能源、生命科學與生物醫學、新材料等前沿科學研究和國家發展戰略中部署的課題。在為眾多用戶提供常規技術支撐的同時，還將為國家發展戰略和工業核心迫切需求的相關研究，提供多維度、實時、原位的表征平臺，解析工程材料的結構、觀察其演化的全周期全過程，為材料的設計、調控提供信息。
HEPS建成后，將參照相關的運行規范和已有光源的開放共享經驗，全天時運行，按照“開放合作、資源共享”的原則，面向多用戶、多領域開放，相關院校用戶可根據需求，選擇相應的實驗線站申請機時。
由于同步輻射裝置能夠對各學科的前沿研究提供重要的支撐，以同步輻射裝置為核心，建設多學科的研究平臺，形成多學科的、多種裝置的聚集效應，打造大型的國家級實驗平臺也已成為大科學基礎設施建設的發展趨勢。美國能源部下屬的ANL，BNL，LBNL等實驗室就是一類以同步輻射裝置為核心的綜合研究平臺;歐洲ESRF周邊也聚集了EMBL、中子源、強磁場研究中心等設施，形成了集群效應;在英國，以Diamond同步輻射光源為核心的Harwell園區也采用同樣的理念進行設計，還有日本的SPring-8光源也一樣聚集了大量的企業及科研設施。
HEPS的建設也考慮到了這一情況——它位于懷柔科學城北部核心區，是懷柔大裝置集群中的核心裝置，它的設計壽命為30年，建成后還會不斷升級改造，預期工作壽命在50年或更長。
作為大裝置集群核心裝置，HEPS將與懷柔科學城內建設的綜合極端條件裝置等其他設施和平臺緊密結合，形成一個高端的綜合性大裝置集群，為國家的重大戰略需求和前沿基礎科學研究提供技術支撐平臺，推進國家科學技術的發展。
(作者：董宇輝，系中國科學院高能物理研究所副所長、研究員，苑夢堯，系該所高級工程師)
同步輻射裝置有沒有輻射安全問題?
同步輻射光屬于電離輻射，會破壞人體的一些組織結構，公眾應盡量少接觸或者避免暴露于其中。但大家無需恐慌。一般來說，同步輻射裝置均利用重混凝土墻、一定厚度的鉛墻等一系列防護措施，來隔離并吸收釋放的電磁輻射，所以在同步輻射裝置正常運行時，裝置產生的輻射劑量對外界環境的影響是微乎其微的，可忽略不計。
HEPS正常運行情況下，裝置附近居民一年所受的輻射劑量約等于乘坐飛機15分鐘的輻射量;而同步輻射裝置產生的輻射是瞬發性的，只要加速器一停機，輻射場即消失。
所以，住在同步輻射光源附近的居民完全可以放心。如果在同步輻射光源進行工作實驗或者參觀同步輻射裝置時，只要遵循工作人員的引導，完全不必擔心輻射安全問題。
(源自《光明日報》2021年07月08日16版 原地址：https://epaper.gmw.cn/gmrb/html/2021-07/08/nw.D110000gmrb_20210708_1-16.htm)
