文 观察者网心智观察所

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

当从空中进行俯瞰的时候，这座有着宏大模样的装置，形状好似一个超级放大镜，该装置成功建成，这意味着我国的同步辐射光源达成了代际跨越，此跨越能够为解决国家重大需求以及前沿科学问题，提供十足强大的技术支撑 。

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。

在HEPS发出的光当中，存在着肉眼看不见的X光，也就是X射线，它属于一种波长极短的电磁波，其波长处于0.01到100埃之间。源于物质微观机构当中原子和分子之间的距离，大概在1到10埃的范围，刚好落在了X射线的波长之内，所以，X射线借助与物质产生散射、衍射以及吸收等作用，能够传递极为丰富的微观结构信息，致使其成为探测物质微观结构的理想探针。HEPS的巨型X光机能够让科学家们比以往任何的时候都更加细致地去观察物质的微观世界。

以接近光速运动的带电粒子（在HEPS里是电子），于磁场中做曲线运动时，会沿着弯转轨道的切线方向，如水珠飞出那般，发射出连续的电磁辐射，HEPS产生X光之举被称作“同步辐射”，其原理能形象地当作雨中转动的雨伞来做理解，此现象最初是在1947年于电子同步加速器上被意外观测到的。

HEPS具有“高能”特性，这意味着其电子束流能量高达6 GeV，它是我国第一台高能量同步辐射光源，因高能量，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，可深入大块样品内部以进行高分辨探测，对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而言至关重要， 。

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，意味着更高的探测精度，意味着更快的实验效率。

此外，同步辐射光具备宽波段连续可调的特性，有方向性极强的高准直性，有高偏振性，还有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很有用，对于研究生命过程等“变化过程”也很有用。

跨越代际的“三级火箭”与技术飞跃

我国以及亚洲所建设的首个第四代同步辐射光源项目是HEPS，这座大科学装置的工作原理是借助“加速电子，生产光”来达成的，整个加速器系统是由三台在位置上呈现分离状态的加速器共同构建成的等同一枚“三级火箭” 。

首先，由电子枪产生的具备高品质的电子束，经过了长度约为49米的直线加速器，被加速到了0.5 GeV 。这台被称作“一级发动机”的设备，已于今年6月通过了工艺验收 。

稍后，电子束被投放到周长四百五十多米的环形增强器之中，进而把能量再度提升至额定的6 GeV的水准，并且增强器业已经过了工艺验收。

最后，被注入的是6 GeV的电子束团，其注入的储存环周长大约是1360米，这座环形建筑占地面积巨大，大到能够容纳20个足球场。电子束的运行速度十分接近光速，得以在储存环内沿着回旋的路线运行起来，在其通过弯转磁铁时，或者是通过像“芒果”型扭摆器这类插入件的时候，会沿着切线方向释放出同步辐射光，这种光稳定，具备高能量，同时还具备高亮度。

第四代同步辐射光源的至关重要的核心技术出现进展之处在于达成了极低的电子发射度，发射度是用于衡量评估电子束流品质的极为关键的参数，一旦发射度越小，那么光束的横向分散这个程度就越小，进而光束品质就会越好，亮度也就会越高，HEPS储存环的关于设计的发射度大概约为35 pm·rad，在全球范围内国际同类已经建成以及正在建设的光源当中，它是自然发射度指标处于最高水准的储存环设计方案里的其中之一 。

出于去往达到此一超低发射度目的之缘由，HEPS于国际通行的多弯铁消色散即MBA结构的根基之上开展了创新之举，将涵盖纵向梯度二极铁等新型单元节在内的多项设计予以融合。于性能工艺测试期间，HEPS加速器的各个指标均达成了甚至还超越了验收指标，像储存环的束流能量实际测量得出为6.01 GeV，水平自然发射度是0.0568 nm·rad 。

HEPS的精密性体现于其极高的稳定性，比如在今年9月一次调束时，HEPS完整且清晰地记录了堪察加东岸附近海域发生的7.8级地震致使的地面波动，轨道异常波动峰值约达330微米，这充分展现了其超高的束流品质以及卓越的灵敏度。

自主攻关：十年磨一剑的X光探测之眼

虽说我国于加速器技术领域已然达成世界一流水准，可产出具备高品质的X光，然而在X光探测这个关键范畴，尤其是高端科学仪器层面，长久以往地始终遭受着被国外垄断的局限 。

这般垄断，不仅致使仪器价格十分高昂，还将装置的建设成本予以推高，更为关键的是，它对科学家针对定制化仪器的需求加以限制，这般就使得光源的全部性能没办法获得完全发挥。所以，为了达成原始创新，国内科研团队决定从零点起步，去攻克自身的X射线探测器技术。

传统的探测X射线的办法之中，就像医院胸透所运用的技术那样，是借由闪烁体材料将X光转化成可见光，接着靠可见光相机进行拍摄，在这个过程里会出现精度的损失。科研人员的目的是达成更高效的“直接探测”，使X光直接变换成电信号来予以处理。

直接探测存在两大难点，其一，X光能量高且穿透性强，对多数材料来说就像“透明”一般；解决办法是运用高密度半导体材料，在其中施加强大电场，如同给一堵厚厚的墙再加装电网，让X光无法逃逸。其二，X射线难以被看清，也就是难以精确定位；借助把探测材质划分成大量能独立运作的细密小单元，也就是像素，精准记录X光被捕获的位置信息，最终组合成清晰图像。

探测器从结构来说，能分成三个关键部分，其中，传感器充当那可称作“眼睛” 的角色，负责着感光以及精确探测，那制造工艺对洁净度有着非常高要求；而专用集成电路芯片作为“大脑”，处理经转换而来的电信号，此设计要把复杂功能集成到特别小的像素单位里面；设计之时，得像做精密外科手术那般处理微弱信号，同时还得高速搬运数据，防止相互干扰。

这款芯片，采用的是国内CMOS 130纳米的集成电路工艺。连接传感器与芯片的，是“神经”，它采用了先进的倒装焊技术。这项工艺，运用比头发丝还细的金属小球阵列，把两者精密封装在一起，其密度极高，对加工精度提出严格要求，直接决定探测器的可靠性。

起步于国内技术基础近乎完全空白的艰难处境，开启了这项持续长达十年的研发工作，在此期间需承受巨大的技术压力以及心理压力，然而正是凭借着对突破“卡脖子”状况的始终不懈追寻，使得团队攻克了解决传感器、读出芯片以及倒装焊这三大关键技术难题 。

后续把模块整合成可用的整机，这一过程耗费了大量时间去解决琐碎的工程问题，不过最终研发出的第三代样机，其性能已完全能够对标甚至超越国际主流产品，达成了国产化替代。这些系统有着超高的动态范围，最亮的点与最暗的点，它们之间的亮度差别能够超过100万倍，而且还具有每秒超过1000张的高速成像能力，此能力远远超出了之前的国际主流产品。

日后，HEPS建成之际，会有大量经自主设计的探测器投入线站予以使用，其最大版本的像素能够达到600万 ，。

超越极限的探索视野与科学愿景

HEPS身为理想范畴内的多学科交叉研究平台，其具备的卓越性能，会给我国基础科学以及工业创新领域之中的原创性、突破性研究，供应关键支撑。它可以提供同步光，此同步光有着纳米级的空间分辨，有着皮秒级的时间分辨，还有着毫电子伏级的能量分辨。

在生命科学范畴内，到目前为止呀，世界上大概70%的已知生物大分子结构呢，像蛋白质、病毒之类的，都是依靠同步辐射光来解析得出的哟。我国的科研人员呢，曾经凭借第三代光源率先解析了新冠病毒关键蛋白的高分辨结构哒哒哒。HEPS会支持更为前沿的研究哒，涵盖灵长类脑成像以及神经网络连接的三维成像解析啦。HEPS的高清成像技术呀，也具备推广到医学成像等应用领域的可能性呢，比如去观察药物是怎样与靶点起作用的呀，用来辅助开发抗肿瘤药物咧。

在工程以及材料创新这两方面，HEPS的“超级眼睛”具备解决工业里实际问题的能力。高能X射线拥有很强的穿透力，这致使高能射线衍射实验能够深入到大块样品的内部，进而能够对工件内部的晶粒、缺陷等关键结构信息展开分析，而这对于航空航天领域里面的材料研究（就像探察航空工程材料的微结构缺陷这种情况）来讲是非常关键的。它同样能够借助依照原子级别逐个去探测芯片表面，从而为破解芯片“卡脖子”难题给予相应支撑。与此同时，HEPS能够助力研究工作人员，去观测锂离子于电池内部的移动进程，进而寻觅到提升电池容量以及寿命的办法。

同步辐射光源有着充满好玩的应用，举例来说，科学家借助欧洲同步辐射光源也就是ESRF的X射线粉末衍射技术，成功弄清楚了可可脂关键成分的晶体结构，搭建起能达成入口即化的结晶V的结构模型，这项研究直接推动了新专利的产生，对克服巧克力表面出现“反霜”问题有帮助。籍此提升巧克力的口感。

还有这样一个例子，有研究人员，运用美国阿贡国家实验室的先进光子源，也就是APS，借助相位衬度成像技术，去观察活体状态下的蚊子吸食液体的情况，进而发现了蚊子吮吸存在两种模式，其中包含之前从未见过的“爆发模式”，这种模式的流量相较于连续模式而言，要高出27倍，此项发现为微流控医疗装置的研发，提供了全新的思路。

铸就国之重器：HEPS的里程碑与深远影响

HEPS属于《国家重大科技基础设施建设 " 十三五 " 规划》优先布局的项目里的一个，在2019年6月于北京怀柔科学城开始动工建设。工程技术人员仅仅花费了三年多一点的时间就达成了土建部分的建设。在进行安装期间，储存环的1776台磁铁安装的精度误差小于50微米，又一次缔造了中国奇迹。整个建设进程有力地提高了我国在精密机械、光学、探测器等技术领域的设计以及制造能力。

对于HEPS项目，工艺验收专家组有一致看法，其完成了批复的相关建设事宜及任务，综合性能处于国际同类装置之领先水准，加速器与光束线站的关键指标皆已过关或者比验收指标更优，像硬X射线纳米探针线站那般，其光斑尺寸已然达到12.5纳米。

当前，HEPS建有首批的14条用光束线且有1条测线站。身为工程总指挥的那位名潘卫民的研究员讲，HEPS估计会在这年末开始试运转，且在来年6月经国家验收结束之后正式投入运作 。

HEPS是用于建设科技强国、达成高水平科技自立自强的利器，它的价值不但在于达成了我国同步辐射光源的代际跨越，还在于其对科研成本的显著节省以及对产业的推动作用，以自主研发的探测器系统为例，每台能够节省数百万元人民币，未来90多条线站的建设会节省数亿元的科研成本，这些资金能够投入到更先进的前沿探索里。

与此同时，历经十年的积累，团队拥有了整体系统开发的能力，能够依据科学家的需求，定制构建全新的探测器系统，以此保证与光源一同实现升级。这是世界上设计亮度处于最高水平的第四代同步辐射光源，会为我国在能源、环境、生物医学、新材料等基础以及应用领域的研究，给予强大的技术支持，持续促使科技创新与产业创新深度融合。