最“亮”的光照亮微觀世界——探訪高能同步輻射光源

 

　　HEPS儲(chǔ)存環(huán)結(jié)構(gòu)單元工藝安裝實(shí)驗(yàn)。

 

 

　　HEPS自研分析晶體。

 

 

　　增強(qiáng)器預(yù)準(zhǔn)直單元預(yù)安裝準(zhǔn)直。

 

 

　　俯瞰高能同步輻射光源全景。（中科院高能所 供圖）

 

 

　　裝置簡(jiǎn)介：

 

　　高能同步輻射光源（HEPS）是國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃布局的大科學(xué)工程項(xiàng)目之一，是我國第一臺(tái)高能同步輻射光源，也是世界上亮度最高的第四代同步輻射光源之一，建成后將成為世界最先進(jìn)的X射線光子科學(xué)研究平臺(tái)之一，作為探索物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與變化過程的強(qiáng)有力的科學(xué)工具，為基礎(chǔ)科學(xué)和工程科學(xué)等領(lǐng)域原創(chuàng)性、突破性創(chuàng)新研究提供重要支撐。項(xiàng)目由中國科學(xué)院高能物理研究所作為法人單位承擔(dān)建設(shè)。

 

　　說起光源，你會(huì)想到什么？或許是太陽、電燈，抑或是燃燒著的蠟燭……

 

　　這些光源發(fā)出的我們?nèi)庋劭吹靡姷墓?，被稱為可見光。不過，在光的大家族中，可見光只是其中很小的一部分，還有無線電波、微波、紅外線、紫外線、軟X射線、硬X射線、伽馬射線等許多肉眼看不見的光。借助這些看得見、看不見的光，人類不斷探索著未知世界。

 

　　在北京懷柔科學(xué)城，有一個(gè)全球最“亮”的光源正在建設(shè)之中。如同一個(gè)超大號(hào)的X光機(jī)，它可以“照亮”微觀世界，通過對(duì)微觀結(jié)構(gòu)多維度、實(shí)時(shí)、原位表征，為物質(zhì)做“體檢”，揭示物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)生成及演化機(jī)制。

 

　　它就是我國建設(shè)的首臺(tái)第四代同步輻射光源——高能同步輻射光源（HEPS），也被稱為“希望之光”。

 

　　那么，什么是高能同步輻射光源？它到底有多亮，有何特別之處，如何發(fā)揮作用？記者帶您走近國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施高能同步輻射光源。

 

　　能量更高、亮度更強(qiáng)——物質(zhì)內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)“看”得更清

 

　　從空中俯瞰，高能同步輻射光源由三棟主體建筑構(gòu)成，整體外形如同一個(gè)放大鏡，寓意“探測(cè)微觀世界的利器”。

 

　　其中，綜合實(shí)驗(yàn)樓和用戶服務(wù)樓構(gòu)成“放大鏡”的“手柄”，最大的圓環(huán)狀建筑則是光源裝置區(qū)域，如同“放大鏡”的“鏡框”。

 

　　這個(gè)“鏡框”就是高能同步輻射光源的核心建筑。建成運(yùn)行后，“最亮的光”便將從這里發(fā)出，穿透未知謎團(tuán)，幫助我們看清那些未曾見過的世界。

 

　　“在這個(gè)主體建筑里，分布著電子注入器（直線加速器+增強(qiáng)器）、電子儲(chǔ)存環(huán)、光束線站等。”HEPS加速器物理系統(tǒng)負(fù)責(zé)人、中國科學(xué)院高能物理研究所研究員焦毅告訴記者。

 

　　它是這樣工作的：位于源頭的電子槍產(chǎn)生高品質(zhì)的電子束，經(jīng)直線加速器將電子束加速到0.5GeV的高能量，注入周長(zhǎng)450多米的環(huán)形增強(qiáng)器，繼續(xù)提高能量到額定的6GeV。此時(shí)的電子束無限接近光速，然后被注入至更大的圓環(huán)——周長(zhǎng)1360米的儲(chǔ)存環(huán)，以接近光速的速度保持運(yùn)動(dòng)。在儲(chǔ)存環(huán)上的不同位置，電子束通過彎轉(zhuǎn)磁鐵或者各種插入件時(shí)，會(huì)沿著偏轉(zhuǎn)軌道切線方向釋放出穩(wěn)定而且高能量、高亮度的光——同步輻射光。

 

　　“你可以把HEPS看成一個(gè)具有超精密、超快、超穿透能力的巨型X光機(jī)，就像我們?cè)卺t(yī)院拍X光片可以穿透衣服、皮膚看清身體的骨肉一樣，HEPS產(chǎn)生的小光束可以穿透物質(zhì)、深入內(nèi)部進(jìn)行立體掃描，從分子、原子尺度觀察微觀世界之中的時(shí)空流變。”焦毅告訴記者。

 

　　記者了解到，X射線被視為探測(cè)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探針，其亮度越高，物質(zhì)內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)便“看”得越清楚。自一百多年前倫琴發(fā)現(xiàn)X射線以來，科學(xué)家們不斷創(chuàng)新技術(shù)，去獲取能量更高、亮度更強(qiáng)的X射線。同步輻射光源就是其中一種重要的X射線源。

 

　　據(jù)了解，接近光速的帶電粒子在做曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)沿切線方向發(fā)出的電磁輻射，即為同步輻射光。“就像下雨時(shí)，我們快速轉(zhuǎn)動(dòng)雨傘，沿著雨傘邊緣的切線方向會(huì)飛出一簇簇水珠。”HEPS工程常務(wù)副總指揮、中科院高能所副所長(zhǎng)董宇輝解釋說，與常規(guī)X射線相比，同步輻射光源產(chǎn)生的同步輻射光頻譜更寬——覆蓋紅外光、可見光、紫外光和X射線波段，亮度更高——高出常規(guī)X光機(jī)產(chǎn)生的X光4至14個(gè)量級(jí)，可用于高穿透性、高時(shí)空分辨的實(shí)驗(yàn)，另外相干性和準(zhǔn)直性也更好。

 

　　一直以來，我國都很重視同步輻射光源的發(fā)展建設(shè)。迄今，我國大陸地區(qū)已經(jīng)完成了三代同步輻射裝置的發(fā)展建設(shè)。第一代是1989年建成的依托北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的北京同步輻射裝置，第二代是1990年建成的合肥同步輻射光源，第三代則是2009年建成的上海光源。開放運(yùn)行以來，各裝置孕育了許多重量級(jí)的科學(xué)研究成果。

 

　　既然已經(jīng)有了這么多個(gè)同步輻射光源，為何還要建設(shè)HEPS？

 

　　據(jù)介紹，根據(jù)加速器中電子的能量，同步輻射光源可以分為低能、中能、高能三種，低能同步輻射光源側(cè)重于功能研究，比如化學(xué)反應(yīng)、超導(dǎo)電性、磁性等；中、高能同步輻射光源側(cè)重于研究結(jié)構(gòu)，可用于觀察單晶生長(zhǎng)、蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)單晶葉片的結(jié)構(gòu)缺陷等。

 

　　“在HEPS之前，我國同步輻射裝置均為中低能區(qū)，還沒有高能光源。”焦毅告訴記者，HEPS填補(bǔ)了我國高能同步輻射光源的空白，也將是世界上亮度最高的第四代同步輻射光源之一。

 

　　“HEPS儲(chǔ)存環(huán)中電子能量達(dá)6GeV，可提供300keV的高能X射線。作為第四代同步輻射光源，HEPS儲(chǔ)存環(huán)由48個(gè)多彎鐵消色散單元構(gòu)成，電子發(fā)射度更低，亮度比第三代光源要高出100倍，是太陽的100萬倍。”焦毅介紹，如同在黑暗處使用手電筒照明，手電筒越亮看得越清楚，HEPS可以把X光聚焦到納米尺度，讓我們更清楚地了解物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

 

　　施工難度和工藝要求前所未有——“卡脖子”技術(shù)問題被一一破解

 

　　HEPS于2019年6月啟動(dòng)建設(shè)，計(jì)劃2025年建成驗(yàn)收。當(dāng)前，正處于基建收尾、設(shè)備安裝并行階段。

 

　　加速器是HEPS的核心部分，包括直線加速器、增強(qiáng)器和電子儲(chǔ)存環(huán)。“目前，直線加速器和增強(qiáng)器設(shè)備安裝基本完成，電子儲(chǔ)存環(huán)也已經(jīng)啟動(dòng)安裝。”焦毅告訴記者，最近他正忙著為直線加速器的束流調(diào)試做準(zhǔn)備。

 

　　HEPS加速電子，產(chǎn)生更高亮度、能量和精度的同步光，從而更好地解析微觀結(jié)構(gòu)。但讓“調(diào)皮”的電子抱得更緊，并“聽話”地按照預(yù)定的軌道高速運(yùn)動(dòng)，并不容易。

 

　　“你知道嗎？未來，裝置投用后，電子束在周長(zhǎng)1300多米的儲(chǔ)存環(huán)中跑一圈只需要4.3微秒，而其運(yùn)動(dòng)孔徑僅有22毫米，所以任何一點(diǎn)細(xì)微的偏差都會(huì)導(dǎo)致電子束的損耗，影響同步光的質(zhì)量。”焦毅告訴記者，HEPS對(duì)加速器物理及技術(shù)均提出了非常“極限”的要求，施工難度前所未有，工藝要求前所未有。

 

　　焦毅給記者舉了一個(gè)例子。在儲(chǔ)存環(huán)建設(shè)施工過程中有這樣一個(gè)指標(biāo)：儲(chǔ)存環(huán)在1至100Hz范圍內(nèi)地面振動(dòng)的均方根位移積分不能超過25納米。“施工單位負(fù)責(zé)人當(dāng)時(shí)的第一反應(yīng)是‘不可能實(shí)現(xiàn)’。”

 

　　他們沒有因此降低標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)槌耍瑢?shí)驗(yàn)精度就無法保證。最終，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)施工，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。“后續(xù)我們也會(huì)不斷跟蹤，根據(jù)加速器物理和光束線站要求，積極采取各種減震措施，確保微振動(dòng)指標(biāo)達(dá)標(biāo)。”HEPS工程總指揮、中科院高能所研究員潘衛(wèi)民說。

 

　　在已經(jīng)完成主體設(shè)備安裝的增強(qiáng)器隧道中，一眼望去，記者被許多五顏六色、形狀各異的“大家伙”所吸引。“這是磁鐵系統(tǒng)，第四代同步輻射光源中最為關(guān)鍵的系統(tǒng)之一，控制著電子的方向。”焦毅介紹，加速器絕大多數(shù)能看到的設(shè)備都是磁鐵。在環(huán)形增強(qiáng)器中，僅磁鐵就有數(shù)百塊。而在儲(chǔ)存環(huán)中，使用的磁鐵數(shù)量將超過1700塊。

 

　　記者了解到，不同顏色的磁鐵具有不同的功能。比如，紅色的長(zhǎng)方體狀磁鐵是二極鐵，可以讓電子“轉(zhuǎn)彎”；藍(lán)色的有四個(gè)極頭的磁鐵是四極鐵，可以把那些“想往外跑”的電子拉回“正途”、與其他電子抱得更緊；六極、八極磁鐵則是為了讓電子運(yùn)行的速度軌跡更加趨于一致。

 

　　“HEPS所使用的磁鐵可以說達(dá)到了磁鐵技術(shù)的極限，無論是從技術(shù)上，還是加工工藝、安裝工藝上。”焦毅說，其加工精度及安裝準(zhǔn)直誤差均為10微米量級(jí)。

 

　　同時(shí)，光束線站方面的技術(shù)攻關(guān)也不斷取得新突破，比如HEPS首批分析晶體完成在線測(cè)試，首臺(tái)自研鏡箱和單色器通過出廠驗(yàn)收等。

 

　　“雖然在硬件設(shè)計(jì)和工程推進(jìn)過程中遇到了不少問題和挑戰(zhàn)，甚至是‘卡脖子’技術(shù)問題，但都在大家的齊心協(xié)力下被一一破解。”憶及整個(gè)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)數(shù)年來的艱辛付出，焦毅感慨，他們不斷攻堅(jiān)克難，用實(shí)際行動(dòng)推進(jìn)科技創(chuàng)新、詮釋匠人精神，“只有把關(guān)鍵核心技術(shù)牢牢掌握在自己手里，才能真正掌握競(jìng)爭(zhēng)和發(fā)展主動(dòng)權(quán)；只有在所有的細(xì)節(jié)上做到極致，才能最終得到一個(gè)極致的結(jié)果。”

 

　　將在先進(jìn)材料等諸多領(lǐng)域大顯身手——為提升我國原始創(chuàng)新能力貢獻(xiàn)力量

 

　　在電子儲(chǔ)存環(huán)之外一墻之隔，是HEPS的實(shí)驗(yàn)大廳，各光束線站的位置所在。光束線站是HEPS的主體部分，是HEPS服務(wù)用戶的客戶端，也是科研人員利用光源開展科學(xué)研究、產(chǎn)出科研成果的地方。

 

　　隔離墻也十分與眾不同。與我們平時(shí)見到的平整墻面不同，每隔一段距離，這個(gè)隔離墻就會(huì)有一個(gè)“鋸齒”狀凸出，“鋸齒”上有一個(gè)45公分見方的小“窗戶”。

 

　　“這是前端區(qū)的出光孔，是連接儲(chǔ)存環(huán)和實(shí)驗(yàn)站的‘橋梁’。”HEPS結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)線站負(fù)責(zé)人、中科院高能所副研究員張兵兵告訴記者，未來，同步光將從這個(gè)孔射出，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求經(jīng)調(diào)制后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)站供各領(lǐng)域用戶開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)。“從加速器引出的寬頻譜、光斑尺寸相對(duì)大的同步光，并不能直接給用戶使用，需要經(jīng)過光束線上單色器、聚焦鏡等一系列的光學(xué)元件，從寬波段的‘白光’里，挑選出波長(zhǎng)單一的單色光，并進(jìn)一步將光斑尺寸聚焦到更小的尺寸，才能供用戶開展更高精度的實(shí)驗(yàn)。”

 

　　據(jù)介紹，HEPS建設(shè)高性能光束線站的容量不少于90條，首批建設(shè)14條面向用戶的公共光束線和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)站，可提供納米空間分辨、皮秒時(shí)間分辨、毫電子伏能量分辨的同步光。

 

　　“高能光源可提供能量達(dá)300keV的光，意味著穿透金屬等工程材料可達(dá)毫米，甚至厘米級(jí)，比常規(guī)中低能光源提高3至4個(gè)數(shù)量級(jí)，改善淺表信號(hào)難以評(píng)估材料整體性能的困境；空間分辨可達(dá)10納米，保證穿透能力的同時(shí)，有效覆蓋光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡之間的空白區(qū)；時(shí)間分辨達(dá)到皮秒量級(jí)，1萬億分之一秒，光只能走10根頭發(fā)絲粗細(xì)的距離，可以探測(cè)金屬3D打印、動(dòng)態(tài)加載等超快時(shí)間尺度下的動(dòng)態(tài)不可逆過程。”張兵兵說。

 

　　記者了解到，不同線站都有其擅長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)方法，可支持先進(jìn)材料、航空航天、能源、環(huán)保、醫(yī)藥等領(lǐng)域前沿科學(xué)研究。在為眾多用戶提供常規(guī)技術(shù)支撐的同時(shí)，還將為國家發(fā)展戰(zhàn)略和工業(yè)核心迫切需求的研究領(lǐng)域提供多維度、實(shí)時(shí)、原位的表征平臺(tái)，為工程材料的成分設(shè)計(jì)、制造工藝優(yōu)化、缺陷表征、服役性能等提供全壽命周期的結(jié)構(gòu)信息和評(píng)價(jià)手段。

 

　　“HEPS的光具有高能量、高亮度、高相干等特點(diǎn)，高空間分辨的‘魚’和高時(shí)間分辨的‘熊掌’可以兼得，可以進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)的信噪比，進(jìn)一步擴(kuò)展研究對(duì)象到更小的納米顆粒材料、微細(xì)通道的流體力學(xué)等。”張兵兵介紹說，比如，可以原位觀察單晶的生長(zhǎng)過程，揭示單晶葉片缺陷的形成機(jī)制和等軸晶—柱狀晶轉(zhuǎn)變機(jī)理；對(duì)工程材料開展全壽命周期多尺度表征，探究材料在制造和服役過程中的失效因素；解釋重要蛋白的功能，推動(dòng)新藥發(fā)明，等等。

 

　　“簡(jiǎn)單來說，就是從飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)到病毒蛋白質(zhì)，未來都能在這里進(jìn)行‘體檢’。”張兵兵介紹說，比如有的工程材料可能存在雜質(zhì)和斷裂等問題，僅憑肉眼很難看清，但通過HEPS就能一下子讓問題一覽無余。

 

　　創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展。作為“探測(cè)微觀世界的利器”，HEPS建成后，將堅(jiān)持“四個(gè)面向”“兩加快一努力”，為提高我國在基礎(chǔ)前沿和交叉科學(xué)領(lǐng)域的原始創(chuàng)新能力和科技綜合實(shí)力貢獻(xiàn)力量。

 

“期待HEPS的第一束光。”焦毅、張兵兵表示。

 

（——中央紀(jì)委國家監(jiān)委網(wǎng)站）