出品：科普中國(guó)

作者：楊超（深圳理工大學(xué)科普主管、中國(guó)科普作家協(xié)會(huì)會(huì)員）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

在北京懷柔科學(xué)城，有一個(gè)超級(jí)放大鏡，占地面積約976畝，有90個(gè)足球場(chǎng)那么大，俯視看起來(lái)像一個(gè)放大鏡。放大鏡的“鏡框”是一個(gè)環(huán)形建筑，周長(zhǎng)1300多米。它是用來(lái)干什么的？有哪些“獨(dú)門特技”？讓我們一起探秘吧。

為什么要建設(shè)它？

超級(jí)放大鏡的名字叫高能同步輻射光源（High Energy Photon Source，HEPS），也被稱為“希望之光”。它不僅是我國(guó)，而且是全亞洲第一臺(tái)第四代同步輻射光源。

HEPS航拍圖

（圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所）

目前，共有六十多臺(tái)同步輻射光源分布于世界各國(guó)，是數(shù)量最多、覆蓋研究領(lǐng)域最廣的大科學(xué)研究設(shè)施，被譽(yù)為“微觀世界的放大鏡”和“前沿科技的燈塔”。

中國(guó)大陸地區(qū)已經(jīng)建成了北京同步輻射光源、合肥同步輻射光源和上海光源三臺(tái)同步輻射光源裝置。既然已經(jīng)有了這么多個(gè)同步輻射光源，為什么還要建設(shè)HEPS？

這是因?yàn)槲覈?guó)目前已建成的同步輻射光源，主要覆蓋的是中低能區(qū)，是第三代同步輻射光源，對(duì)于需要極高能量X射線才能穿透如航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、核反應(yīng)堆材料等厚重樣品，或是需要極高亮度來(lái)捕捉原子級(jí)動(dòng)態(tài)過程的研究，它們的能力就顯得捉襟見肘。

換句話說，中低能區(qū)的同步輻射光源像一臺(tái)高靈敏度的動(dòng)態(tài)攝像機(jī)，擅長(zhǎng)捕捉表面和界面的細(xì)微變化；而高能區(qū)的同步輻射光源則更像一臺(tái)穿透力極強(qiáng)的巨型X光機(jī)，能夠深入物質(zhì)內(nèi)部，探測(cè)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)。

建成后的HEPS，其儲(chǔ)存環(huán)加速器的電子束流能量為6 GeV（十億電子伏特），可提供能量達(dá)300 keV（千電子伏）的X 射線光子，亮度比第三代光源高出2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，也就是百倍到千倍，具有更高的分辨率，并將躋身世界五大高能同步輻射光源之列。

HEPS到底有多“強(qiáng)”？

它的能量高，穿透力強(qiáng)。HEPS產(chǎn)生的X射線能量高達(dá)300千電子伏，能夠輕松穿透厘米厚的金屬、陶瓷、巖石等材料。這意味著它可以深入到大塊如航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、核反應(yīng)堆壓力容器等工業(yè)部件內(nèi)部進(jìn)行無(wú)損探測(cè)，發(fā)現(xiàn)中低能同步輻射光源及傳統(tǒng)檢測(cè)方法無(wú)法觀測(cè)的微小裂紋和內(nèi)部缺陷，并精確測(cè)量它們的大小、形狀和位置；還可以在接近實(shí)際工況的載荷條件下對(duì)樣品進(jìn)行原位相殘余應(yīng)力分析及結(jié)構(gòu)三維成像，這無(wú)疑為航空、核能、考古等研究領(lǐng)域提供了獨(dú)一無(wú)二的觀測(cè)手段。

亮度高，看得更清。“要看到物質(zhì)里的細(xì)節(jié)，很重要的一點(diǎn)就是要有足夠亮的光。光越亮意味著探測(cè)的信噪比越高，精度越高，探測(cè)速度也越快”，HEPS工程總指揮潘衛(wèi)民研究員在介紹光源亮度的重要性時(shí)曾這樣說道。

HEPS的光子亮度比太陽(yáng)的亮度高1萬(wàn)億倍，比普通X光機(jī)亮10萬(wàn)億倍，是現(xiàn)有第三代同步輻射光源亮度的100-1000倍。HEPS可以為衍射實(shí)驗(yàn)提供微米量級(jí)的高亮度光斑，直接解析難以結(jié)晶，但具有重要生物功能的蛋白質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)，可以為譜學(xué)和成像研究提供納米量級(jí)的聚焦光斑，直接在納米尺度上觀察物質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化。

時(shí)間分辨率高，易于捕捉動(dòng)態(tài)。HEPS具備皮秒級(jí)的時(shí)間分辨能力，其中1皮秒等于萬(wàn)億分之一秒，可以像高速攝像機(jī)一樣，捕捉到分子、原子在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的動(dòng)態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)原位觀察微觀世界的時(shí)空流變，為在動(dòng)態(tài)、原位和極端條件下研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的動(dòng)力學(xué)過程提供了重要的科學(xué)平臺(tái)。

總結(jié)

HEPS已于今年10月29日通過工藝驗(yàn)收，標(biāo)志著HEPS已從建設(shè)階段轉(zhuǎn)向運(yùn)行階段，即將開啟服務(wù)科學(xué)研究的新篇章。它的建設(shè)，不僅是一項(xiàng)重大的科技工程，更是國(guó)家綜合實(shí)力的體現(xiàn)。填補(bǔ)了我國(guó)在高能區(qū)同步輻射光源領(lǐng)域的空白，使我國(guó)在這一領(lǐng)域的研究水平躋身世界前列。

更重要的是，它將為我國(guó)在航空、能源、醫(yī)藥等關(guān)鍵領(lǐng)域的核心技術(shù)突破提供不可或缺的支撐，助力實(shí)現(xiàn)科技自立自強(qiáng)。隨著HEPS的正式運(yùn)行，我們有理由相信，它將催生出更多改變世界的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)突破，為人類文明的發(fā)展貢獻(xiàn)中國(guó)智慧。