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“從第三代邁向第四代光源不僅僅是技術(shù)參數(shù)上的提升，而是技術(shù)上的飛躍。”中國科學(xué)院高能物理研究所副所長、高能同步輻射光源裝置負(fù)責(zé)人董宇輝介紹道。

6月28日上午，由國家發(fā)展改革委立項支持、中國科學(xué)院高能物理研究所承擔(dān)建設(shè)的高能同步輻射光源（HEPS）首臺科研設(shè)備在北京安裝，這一大科學(xué)裝置建成后將是中國首個高能量同步輻射光源，成為世界上亮度最高的第四代同步輻射光源之一，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平臺。

高能同步輻射光源計劃2025年9月開始試運行，2025年年底建成提交國家驗收申請。截至2021年6月底，高能同步輻射光源建安工程約完成總工程量的70%，設(shè)備采購?fù)瓿珊贤~的29%。預(yù)計2022年初，主要建筑單體交付使用，屆時高能同步輻射光源將全面轉(zhuǎn)入設(shè)備安裝階段。

攻克世界級挑戰(zhàn)滿足前沿新需求

首臺安裝的加速器設(shè)備——電子槍，位于高能同步輻射光源直線加速器端頭，是加速電子產(chǎn)生的源頭，采用全國產(chǎn)技術(shù)，自主設(shè)計、國內(nèi)加工。電子槍由槍體、陶瓷桶、防暈環(huán)、陰柵組件四大部件構(gòu)成，其中陰柵組件是電子槍的關(guān)鍵“卡脖子”部件。

高能同步輻射光源工程總指揮潘衛(wèi)民介紹稱：“高能同步輻射光源面臨眾多世界級的挑戰(zhàn)，實現(xiàn)了一批關(guān)鍵技術(shù)的突破，如今已從樣機(jī)階段走向批量生產(chǎn)階段，大部分系統(tǒng)進(jìn)入批量研制，前端即將轉(zhuǎn)入設(shè)備安裝環(huán)節(jié)。”

潘衛(wèi)民表示，高能同步輻射光源的建設(shè)由加速器、光束線站以及配套設(shè)置等內(nèi)容組成。按照計劃，2024年第一束同步光將出束；到2035年，線站總數(shù)將達(dá)到60條左右，總體進(jìn)入世界前列，其中10條左右處于世界領(lǐng)先水平。

“從第三代邁向第四代光源不僅僅是技術(shù)參數(shù)上的提升，而是技術(shù)上的飛躍。”中國科學(xué)院高能物理研究所副所長、高能同步輻射光源裝置負(fù)責(zé)人董宇輝介紹道。

他表示，中國新建的高能同步輻射裝置的特點是高能量和高亮度，提供高亮度的硬X射線，同時滿足國家安全和工業(yè)核心創(chuàng)新能力發(fā)展的研究需求，以及基礎(chǔ)科學(xué)前沿研究的需求。

我國的高能同步輻射光源建成后，將與世界上正在運行的美國先進(jìn)光子源（APS）、歐洲同步輻射裝置（ESRF）、日本SPring-8和德國的PETRA-Ⅲ一起，構(gòu)成世界五大高能同步輻射光源，并支持包括能源、材料、生物、環(huán)境等各個領(lǐng)域的基礎(chǔ)科研。

潘衛(wèi)民介紹道，新一代的同步輻射光源在加速器技術(shù)和物理設(shè)計方法上都挑戰(zhàn)了極限。

具體而言，這些技術(shù)包括超導(dǎo)高頻腔，能夠?qū)⑺姆种徊ㄩL結(jié)構(gòu)用于加速光速粒子的主動式超導(dǎo)腔，提供百千瓦量級的微波功率，這在國際上沒有先例；此外，插入件解決方案也為國際首創(chuàng)。其他挑戰(zhàn)包括使用新的實驗技術(shù)，包括相干X射線衍射成像、X射線光子相關(guān)譜、納米探針、高能X射線探針等技術(shù)。

在談到在關(guān)鍵“卡脖子”技術(shù)方面的突破時，潘衛(wèi)民表示，高能所自主研發(fā)了陰柵組件、數(shù)字BPM電子學(xué)等一些關(guān)鍵核心技術(shù)。

“這些技術(shù)一些研究所進(jìn)口不了，也買不到。”他說道，“在中科院支持下，我們經(jīng)過幾年攻關(guān)，目前陰柵組件技術(shù)基本到達(dá)進(jìn)口產(chǎn)品水平；BPM電子學(xué)技術(shù)也與國外產(chǎn)品性能相當(dāng)，能實現(xiàn)0.1微米精度測量，此外，像素陣列探測器研發(fā)也達(dá)到國際先進(jìn)水平。”

中國科學(xué)院院士、中科院高能所所長王貽芳表示：“我們的目標(biāo)不僅僅是要實現(xiàn)國產(chǎn)化，而且要達(dá)到國際領(lǐng)先水平，成為反制‘卡脖子’的手段，使得一批企業(yè)占領(lǐng)國際市場。”他認(rèn)為，這需要高端需求的牽引、研發(fā)能力的提升以及研發(fā)人才的培養(yǎng)等關(guān)鍵因素。

探索細(xì)微物質(zhì)結(jié)構(gòu)的“顯微鏡”

中國科大微尺度國家研究中心教授、國家同步輻射實驗室主任封東來將HEPS比喻成一個能夠探索細(xì)微物質(zhì)結(jié)構(gòu)的“顯微鏡”。“四代光源在亮度和相干性方面有了巨大提升，可以更清楚地看清微觀世界，用途非常廣泛。”封東來表示。

事實上，在高能同步輻射光源建成前，中國已經(jīng)在各地?fù)碛卸鄠€先進(jìn)光源，包括北京的第一代同步輻射光源、上海光源、上海軟X射線自由電子激光以及合肥先進(jìn)光源等，這些光源所應(yīng)用的研究領(lǐng)域有所不同。

中科院上海高等研究院副院長、上海光源科學(xué)中心主任趙振堂表示：“在高能同步輻射光源投入運行之前和之初，上海光源仍然是主力。未來5~10年將是上海光源運行的黃金期，線站數(shù)量將達(dá)到基本飽和。”

上海光源作為第三代同步輻射光源，目前已建成15條光束線與19個實驗站，也是我國用戶和成果最多的大科學(xué)裝置。截至2019年底，已有來自全國各地544家單位約2900個課題組的25000多名研究人員來此開展實驗。

趙振堂表示：“目前第四代軟X射線光源已經(jīng)建成，未來將會和上海光源聯(lián)合開發(fā)運行，此外，硬X射線自由電子激光也在建設(shè)中，總投資超過100億元。未來可以把自由電子激光和相干輻射概念結(jié)合到同步輻射光源，把光變成相干光，提高亮度。”

據(jù)了解，上海的軟X射線自由電子激光近日獲得首批數(shù)據(jù)，研制使用步入國際先進(jìn)水平。“張江集聚了光源的大科學(xué)裝置平臺設(shè)施集群，這研究設(shè)施的組合，能為我國科技發(fā)展提供先進(jìn)工具和支撐平臺。”趙振堂表示。

建成以來，上海光源支持用戶在物理、材料、能源與催化、生命與健康等諸多領(lǐng)域聚焦研究重大基礎(chǔ)科學(xué)前沿問題和關(guān)鍵核心技術(shù)問題，取得了一批重大成果。

趙振堂強調(diào)，上海光源在生命科學(xué)領(lǐng)域的研究發(fā)揮了重要作用，尤其是對于制藥和基于結(jié)構(gòu)分析的藥物研制和篩選來說意義重大，這也有助于整體提升我國同步輻射光源的應(yīng)用水平。“新冠重組疫苗和新冠中和抗體藥物的結(jié)構(gòu)研發(fā)都使用了上海光源的平臺。”趙振堂透露道，“第三代同步輻射光源已成為助力科學(xué)家解決關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題的利器。”

作者：錢童心    責(zé)編：寧佳彥