最“亮”的光照亮微觀世界——探訪高能同步輻射光源

 

　　HEPS儲存環(huán)結(jié)構(gòu)單元工藝安裝實驗。

 

 

　　HEPS自研分析晶體。

 

 

　　增強器預準直單元預安裝準直。

 

 

　　俯瞰高能同步輻射光源全景。（中科院高能所 供圖）

 

 

　　裝置簡介：

 

　　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)劃布局的大科學工程項目之一，是我國第一臺高能同步輻射光源，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的X射線光子科學研究平臺之一，作為探索物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與變化過程的強有力的科學工具，為基礎(chǔ)科學和工程科學等領(lǐng)域原創(chuàng)性、突破性創(chuàng)新研究提供重要支撐。項目由中國科學院高能物理研究所作為法人單位承擔建設(shè)。

 

　　說起光源，你會想到什么？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。

 

　　在北京懷柔科學城，有一個全球最“亮”的光源正在建設(shè)之中。如同一個超大號的X光機，它可以“照亮”微觀世界，通過對微觀結(jié)構(gòu)多維度、實時、原位表征，為物質(zhì)做“體檢”，揭示物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)生成及演化機制。

 

　　它就是我國建設(shè)的首臺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——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，整體外形如同一個放大鏡，寓意“探測微觀世界的利器”。

 

　　其中，綜合實驗樓和用戶服務(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“鏡框”就是高能同步輻射光源的核心建筑。建成運行后，“最亮的光”便將從這里發(fā)出，穿透未知謎團，幫助我們看清那些未曾見過的世界。

 

　　“在這個主體建筑里，分布著電子注入器（直線加速器+增強器）、電子儲存環(huán)、光束線站等。”HEPS加速器物理系統(tǒng)負責人、中國科學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450多米的環(huán)形增強器，繼續(xù)提高能量到額定的6GeV。此時的電子束無限接近光速，然后被注入至更大的圓環(huán)——周長1360米的儲存環(huán)，以接近光速的速度保持運動。在儲存環(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，會沿著偏轉(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看成一個具有超精密、超快、超穿透能力的巨型X光機，就像我們在醫(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)部進行立體掃描，從分子、原子尺度觀察微觀世界之中的時空流變。”焦毅告訴記者。

 

　　記者了解到，X射線被視為探測物質(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，科學家們不斷創(chuàng)新技術(shù)，去獲取能量更高、亮度更強的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動時沿切線方向發(fā)出的電磁輻射，即為同步輻射光。“就像下雨時，我們快速轉(zhuǎn)動雨傘，沿著雨傘邊緣的切線方向會飛出一簇簇水珠。”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光機產(chǎn)生的X光4至14個量級，可用于高穿透性、高時空分辨的實驗，另外相干性和準直性也更好。

 

　　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電子對撞機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。開放運行以來，各裝置孕育了許多重量級的科學研究成果。

 

　　既然已經(jīng)有了這么多個同步輻射光源，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，比如化學反應(yīng)、超導電性、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、蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)、航空發(fā)動機單晶葉片的結(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儲存環(huán)中電子能量達6GeV，可提供300keV的高能X射線。作為第四代同步輻射光源，HEPS儲存環(huán)由48個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月啟動建設(shè)，計劃2025年建成驗收。當前，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、增強器和電子儲存環(huán)。“目前，直線加速器和增強器設(shè)備安裝基本完成，電子儲存環(huán)也已經(jīng)啟動安裝。”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”地按照預定的軌道高速運動，并不容易。

 

　　“你知道嗎？未來，裝置投用后，電子束在周長1300多米的儲存環(huán)中跑一圈只需要4.3微秒，而其運動孔徑僅有22毫米，所以任何一點細微的偏差都會導致電子束的損耗，影響同步光的質(zhì)量。”焦毅告訴記者，HEPS對加速器物理及技術(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例子。在儲存環(huán)建設(shè)施工過程中有這樣一個指標：儲存環(huán)在1至100Hz范圍內(nèi)地面振動的均方根位移積分不能超過25納米。“施工單位負責人當時的第一反應(yīng)是‘不可能實現(xiàn)’。”

 

　　他們沒有因此降低標準。因為超了，實驗精度就無法保證。最終，團隊創(chuàng)新設(shè)計施工，達到了設(shè)計指標要求。“后續(xù)我們也會不斷跟蹤，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，確保微振動指標達標。”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)形增強器中，僅磁鐵就有數(shù)百塊。而在儲存環(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，紅色的長方體狀磁鐵是二極鐵，可以讓電子“轉(zhuǎn)彎”；藍色的有四個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行的速度軌跡更加趨于一致。

 

　　“HEPS所使用的磁鐵可以說達到了磁鐵技術(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直誤差均為10微米量級。

 

　　同時，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試，首臺自研鏡箱和單色器通過出廠驗收等。

 

　　“雖然在硬件設(shè)計和工程推進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。”憶及整個項目團隊數(shù)年來的艱辛付出，焦毅感慨，他們不斷攻堅克難，用實際行動推進科技創(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，才能真正掌握競爭和發(fā)展主動權(quán)；只有在所有的細節(jié)上做到極致，才能最終得到一個極致的結(jié)果。”

 

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

 

　　在電子儲存環(huán)之外一墻之隔，是HEPS的實驗大廳，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。與我們平時見到的平整墻面不同，每隔一段距離，這個隔離墻就會有一個“鋸齒”狀凸出，“鋸齒”上有一個45公分見方的小“窗戶”。

 

　　“這是前端區(qū)的出光孔，是連接儲存環(huán)和實驗站的‘橋梁’。”HEPS結(jié)構(gòu)動力學線站負責人、中科院高能所副研究員張兵兵告訴記者，未來，同步光將從這個孔射出，根據(jù)實驗需求經(jīng)調(diào)制后進入實驗站供各領(lǐng)域用戶開展科學實驗。“從加速器引出的寬頻譜、光斑尺寸相對大的同步光，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元件，從寬波段的‘白光’里，挑選出波長單一的單色光，并進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驗。”

 

　　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)的實驗站，可提供納米空間分辨、皮秒時間分辨、毫電子伏能量分辨的同步光。

 

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

 

　　記者了解到，不同線站都有其擅長的實驗方法，可支持先進材料、航空航天、能源、環(huán)保、醫(yī)藥等領(lǐng)域前沿科學研究。在為眾多用戶提供常規(guī)技術(shù)支撐的同時，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、實時、原位的表征平臺，為工程材料的成分設(shè)計、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)信息和評價手段。

 

　　“HEPS的光具有高能量、高亮度、高相干等特點，高空間分辨的‘魚’和高時間分辨的‘熊掌’可以兼得，可以進一步提高實驗的信噪比，進一步擴展研究對象到更小的納米顆粒材料、微細通道的流體力學等。”張兵兵介紹說，比如，可以原位觀察單晶的生長過程，揭示單晶葉片缺陷的形成機制和等軸晶—柱狀晶轉(zhuǎn)變機理；對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，推動新藥發(fā)明，等等。

 

　　“簡單來說，就是從飛機發(fā)動機到病毒蛋白質(zhì)，未來都能在這里進行‘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)動發(fā)展。作為“探測微觀世界的利器”，HEPS建成后，將堅持“四個面向”“兩加快一努力”，為提高我國在基礎(chǔ)前沿和交叉科學領(lǐng)域的原始創(chuàng)新能力和科技綜合實力貢獻力量。

 

“期待HEPS的第一束光。”焦毅、張兵兵表示。

 

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