中國科學院高能同步輻射光源HEPS入選國家“十三五”科技創新成就展。今天就帶大家一起了解下這個由中科院高能所承擔建設的大科學裝置。帶你了解作為“國家隊”的一員，HEPS的“發光點”和建成后的應用領域。


大科學裝置與其他工程有什么不一樣？大科學裝置又稱國家重大科技基礎設施，是指為提升探索未知世界、發現自然規律、實現科技變革的能力，由國家統籌布局，依托高水平創新主體建設，面向社會開放共享的大型復雜科學研究裝置或系統，是長期為高水平研究活動提供服務、具有較大國際影響力的國家公共設施，具有科研、工程雙重屬性。

大科學裝置中一個小小的設備，都要經歷反復實驗、拷機，經過測試達標后，方可安裝到裝置上。

高能同步輻射光源——“十三五”期間優先建設的大科學裝置

項目情況

高能同步輻射光源（High Energy Photon Source，HEPS），位于懷柔科學城北部核心區，是在國家發改委支持和指導下，中國科學院和北京市落實國家“創新驅動發展”戰略，共建懷柔科學城的重要核心裝置，是國家發改委立項“十三五”期間優先建設的，為國家重大戰略需求和前沿基礎科學研究提供技術支撐平臺的國家重大科技基礎設施。項目主要建設內容包括加速器、光束線站及輔助設施等，建設周期6.5年，2019年6月開工建設，預計將于2025年12月底建成。

HEPS項目整體建筑外形似一個放大鏡，寓意為探測微觀世界的利器，建設高性能光束線站的容量不少于90條，首期建設14條公共光束線站，向工程材料、能源環境、生物醫藥、石油化工等領域的用戶開放。

項目特點

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的互補，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儲存環加速器的周長約為1360.4m，電子束流能量為6GeV，亮度高于1×1022phs/s/mm2/mrad2/0.1%BW，通過采用7BA彎鐵消色散的結構單元，實現電子束流的水平自然發射度優于60pm·rad，提供高相干性等特點的同步輻射光，這也是第四代衍射極限光源的主要特點。

HEPS可提供具有能量高達300keV的高能量、高亮度、高相干性等特點的同步輻射光，具備nm量級空間分辨、ps量級時間分辨、meV量級能量分辨能力，具有穿透能力強等優勢，使真實工件的高精度微觀結構研究成為可能，為高能射線衍射、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。

裝置介紹

HEPS主裝置主要包括加速器、光束線和實驗站3個部分。

★NO.1 加速器

加速器為加速帶電粒子、提供同步輻射光的裝置，HEPS裝置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。

HEPS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，再由直線加速器加速到0.5GeV的能量，經過低能輸運線注入增強器中。增強器將0.5GeV的電子束加速到額定的6GeV，經過高能輸運線，再注入到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運動，在儲存環上的不同位置，通過彎轉磁鐵或者各種插入件時，電子束團運動方向發生變化，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。
★ NO.2 光束線

光束線沿儲存環外側分布，是連接儲存環與實驗站的橋梁，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，輸送到實驗站。

儲存環發射的同步光具有獨特的優點：

? 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式的，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；

? 亮度高，可用于高分辨的實驗。

經處理后，HEPS的同步光具備nm量級空間分辨、ps量級時間分辨、meV量級能量分辨能力。

★ NO.3 實驗站

各領域的用戶在實驗站利用各種實驗儀器開展科學實驗。實驗站中有各種類型的實驗裝置、樣品環境等實驗設備。比如有大型的衍射儀，可以配備低溫樣品容器，研究超導狀態下材料的電子結構；比如可以配備高壓高溫裝置，研究在高壓高溫條件下物質的結構等。各種領域里的用戶帶著各自的樣品，在實驗站上，利用同步輻射光、實驗站上配備的各種儀器獲取相關的實驗數據。

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。

應用領域

HEPS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。

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一個矚目的科學基礎設施建設的發展趨勢。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，形成綜合性大裝置集群，有力地推進國家科學技術的發展。

社會經濟效益

HEPS的建設是推動我國同步輻射光源領域研究達到世界前沿的重要舉措，建成后，將為基礎科學和工程材料等領域原創性、突破性創新研究提供重要支撐平臺，將顯著提升我國在科技和產業領域的原始創新能力的同時，也將成為我國重要的國際科技合作與基礎科學研究平臺。

作為尖端技術的大型科學裝置HEPS自身的建設，將研發和引進多項世界先進技術，也會帶動和提升眾多相關產業的技術進步，產生良好的社會經濟效益。

加速器是綜合多種高技術，如高頻、微波、高精度電磁場、穩定和脈沖電源、超高真空、高電壓、精密機械、計算機自動控制等的大型設備。光束線站的建造將引進和發展世界先進的光學技術和探測技術，包括各種形態的單色器、分析器晶體、像素陣列探測器、新型快電子學和海量數據傳遞和處理等。這些技術在我國進一步發展和推廣，將大大提高我國相關高科技產業的水平。

項目進展

2016年12月23日，HEPS列入《國家重大科技基礎設施建設“十三五”規劃》。

2017年12月15日，HEPS項目建議書獲得國家發改委批復，正式立項。

2019年6月29日，HEPS項目在懷柔正式開工啟動。

2020年7月1日，HEPS工程首根屋面梁吊裝完成。

2021年3月20日，首批磁鐵完成測試，運抵懷柔。

2021年6月27日，主環建筑成環亮相。

2021年6月28日，首臺科研設備——電子槍安裝。

截至2021年10月底，HEPS建安工程完成總工程量的80%，部分建筑單體交付，進行設備交叉安裝，其中，直線加速器設備支架正在加緊安裝；同時，磁鐵、電源、高頻功率源等設備完成加工，正在進行測試、拷機實驗等安裝準備工作，光束線站加緊完善設計，光學元件及關鍵設備開始采購加工。

目前，項目正加快建設。期待HEPS的第一束光。