探秘微观世界的强大“观察利器”

在燕山南麓、雁栖湖畔，一座银灰色的庞大环形装置静静地矗立在山间，这便是高能同步辐射光源。从空中俯瞰，它仿佛一只巨大的放大镜，横卧大地之上。

近日，科技日报记者来到北京怀柔科学城，跟随中科院高能物理研究所的科研人员，一同揭开这台“超级显微镜”级科研基础设施的神秘面纱。

“这是中国第一台高能同步辐射光源，也是亚洲领先的第四代同步辐射光装置。”刚走进实验大厅，高能同步辐射光源项目总指挥、中科院高能物理研究所研究员潘卫民介绍说，这一装置的建成标志着我国同步辐射光源从第三代向第四代的跨越。

“亮度比太阳还强1万亿倍”

“这台高能同步辐射光源究竟有什么本事？如何工作？”

面对提问，潘卫民比喻道：“它就像科学家的超大号显微镜，可以帮助我们清晰地观测实验样本，剖析物质在微观世界中结构和演变。”

这台设备能帮助科研人员研究金属材料在极端环境下的原子变化，从而设计更坚固的新合金。它也能检测芯片内部极细的电路，发现以前无法察觉的微小缺陷，提升电子产品的可靠性和性能。

在巨大的同步辐射光源储存环内，电子以接近光速运行，经过弯转磁铁时，会沿着轨道方向释放出极为明亮的同步辐射光。这些光线经过光束线站像探照灯一样“扫亮”样本，有助于科学家洞悉微观结构细节。

“就像雨天里快速转动雨伞，雨珠会沿伞边甩出去。加速器就像那把雨伞，甩出的水珠相当于发射出的X射线，也就是同步辐射光。”潘卫民解释，这种光源覆盖从太赫兹、红外到硬X射线的整个频段，而且脉冲极短，精度可达纳秒甚至皮秒级别。

其实，中国已经有北京同步辐射装置、合肥光源、上海光源等多台同步辐射设备。“那为什么还要建这台高能同步辐射光源？它有什么独特之处？”记者追问。

潘卫民答道：“这台新装置定位就是高能，具备第四代同步辐射光源的先进特点。”相比之前的第三代，第四代不仅看样品更清晰，而且效率也更高。“我们的高能光源有着极高的电子束流能量，可以发射能量超过300千电子伏特的X光，样本再厚也能看穿。而且亮度是太阳的1万亿倍，分子级别的极快运动都能捕捉。”潘卫民自豪地补充。

“它并不是对原有光源的简单升级。”项目常务副总指挥、中科院研究员董宇辉表示，“各代同步辐射光源侧重不同、互为补充，共同构建了国内完整的先进光源体系。”

“95%以上关键设备实现国产化”

记者跟随科研团队穿越多道屏蔽门，走进储存环加速器隧道。只见磁铁、高频腔、真空室等设备整齐排列，仿若一条庞大的金属长龙蜿蜒延展。

“这里是整台装置的核心——‘心脏’所在，环形加速器周长1.36公里，内部面积足有20个足球场。”董宇辉指着图纸介绍说，“加速后的电子束以近乎光速在这里循环，发射高能同步辐射光。”

环内有1776块磁铁依次排布，精准引导电子束运行轨迹。电子束一秒可绕环跑20多万圈，每圈只需4.5微秒，在如此高速下，哪怕极微小的失误都可能导致电子撞壁损失。

为让电子束更稳定、发出的光更亮，研发团队攻克了一道道技术瓶颈。他们提出国际首创的回注型在轴置换注入技术，让单束团高电荷量运输更加平稳，还发明“48周期混合七弯铁消色散磁聚焦结构”，通过增加弯转磁铁数量和优化布局，把电子束自然发射度降至60皮米·弧度以下。

“简单说，发射度越小，说明电子束越收拢，发散越少。这样的束流才能获得分辨微观结构所需的高品质X射线。”董宇辉科普道，这使得原子、分子的精细结构与快速运动都能被科学家精准捕捉。

同时，团队还突破了多项关键技术，实现大量核心设备的国产化。例如，小孔径磁铁技术将磁铁开口缩到25毫米，磁场控制能力比上一代提升4倍，实现更精准调控；真空室内壁镀膜则解决了维持极高真空的难题；自主研发的“芒果型扭摆器”等插入件大幅提升了设备输出的X射线质量。

“我们打破了多项技术壁垒，使核心设备95%以上都能在国内生产。目前整体性能已达到国际同类设备顶尖水平，光源亮度是第三代设备的近百倍，能够持续稳定地输出优质X射线。”董宇辉强调。

“试运行表现远超预期”

走出隧道，记者来到硬X射线成像线站的控制室。只见电脑屏幕上正展现着猕猴脑神经元连接网络的3D图像。

“这是我们线站正在做的猕猴脑成像实验。”中科院高能物理所研究员黎刚介绍，目前这条成像线站能输出极高相干性的X射线，具备超强穿透、灵敏度高、成像分辨率高等优势，有望推动航空材料、脑科学等多个前沿学科发展。

实际上，高能同步辐射光源现已建成14条用户线站和1条测试线站，可为材料、微电子、生物医学等关键科技领域提供支撑。

2025年10月29日，这一装置通过了中国科学院组织的工艺验收，随后多轮用户课题试用启动。现在，光源采取“不断试用、优化升级”相结合的运行方式，用户研究范围涵盖航天器件缺陷检测、电池充放电过程观测、3D打印材料分析、脑和器官影像、半导体检测等多个热点领域。

在航天材料领域，它能利用超强穿透力，发现此前难以检测的深层缺陷，保障装备安全应用；在生命科学方面，成像精度足以明晰灵长类动物脑神经网络，助力脑科学跃升；新能源领域也在用它监测动力电池的实际充放电状态，助推高性能电池研发。

黎刚表示，“目前用户反馈效果非常好，很多过去用其他设备难以清晰看到的样品，现在都能获得更高分辨率的结果。”项目团队也在与更多科研院所、龙头企业对接，希望早日产出一批重要成果。

展望未来，这座高能同步辐射光源还将在发射度、脉冲长度和光亮度等方面不断突破。潘卫民透露，新的线站与加速器设备规划已启动，未来有望将束流发射度降至衍射极限，实现“看见每一颗原子”的梦想。