燕山南麓，雁棲湖畔，一座銀灰色的巨型環形裝置——高能同步輻射光源靜臥在連綿群山間。從空中俯瞰，它如同一個架在大地上的放大鏡。

日前，科技日報記者跟隨中國科學院高能物理研究所科研人員，來到北京懷柔科學城，探秘這台被譽為“超級顯微鏡”的國家重大科技基礎設施。

“這是我國首台高能量同步輻射光源，也是亞洲首個第四代同步輻射光源。”進入實驗大廳，高能同步輻射光源工程總指揮、中國科學院高能物理研究所研究員潘衛民熱情地介紹，它的建成，標志著我國在同步輻射光源領域實現了從第三代到第四代的代際跨越。

“亮度可達太陽光1萬億倍”

“高能同步輻射光源能干啥？它是怎麼工作的？”

面對記者的提問，潘衛民形象地比喻道：“它就像科學家手中的大號‘顯微鏡’，能夠幫助我們看清實驗樣品，解析物質的微觀結構及其演變過程。”

比如，它能看清金屬材料在極端條件下的原子排列變化，幫助科學家設計出更堅硬的合金﹔也能檢查芯片裡比頭發絲細千倍的電路有沒有瑕疵，保障手機電腦運轉更高效。

在高能同步輻射光源的儲存環裡，電子以接近光速飛馳，當經過彎轉磁鐵時，會沿著軌道切線方向釋放出極其明亮的同步輻射光。這些光被引到光束線站，就能像探照燈一樣“照亮”實驗樣品，讓科研人員看清微觀世界的秘密。

“這個過程就像下雨天我們快速轉動雨傘，沿傘邊切線方向，會飛出一簇簇水珠。光源的加速器就好比這把雨傘，飛出的水珠就是X光，也就是我們所說的同步輻射光。”潘衛民說，這種同步輻射光，能覆蓋從太赫茲、紅外線到硬X射線的寬廣波段，脈沖寬度僅為納秒甚至皮秒量級。

其實，我國此前已經建成多台同步輻射裝置，比如北京同步輻射裝置、合肥光源、上海光源等。“為什麼還要建設這台高能同步輻射光源？它與其他同步輻射裝置有什麼不同？”記者追問道。

“該裝置定位為高能量光源，全面實現同步輻射光源的代際跨越。”潘衛民解釋，與第三代相比，第四代同步輻射光源看樣品更清晰的同時，所用時間也更短。“高能同步輻射光源的能量很高，電子束流能量達到60億電子伏特，可以發射300千電子伏特及以上的X光，能看清更厚重的樣品﹔同時，它的亮度可達太陽光1萬億倍，能夠捕捉百億分之一秒的分子運動。”潘衛民說。

“這台裝置並非對原有設施的簡單替代。”高能同步輻射光源工程常務副總指揮、中國科學院高能物理研究所研究員董宇輝說，“這些同步輻射光源各有所長、互補共存，共同構成了我國同步輻射光源的完整體系。”

“核心設備國產化率超95%”

說話間，記者隨科研人員穿過重重屏蔽門，來到儲存環加速器隧道。眼前整齊排列的磁鐵、高頻腔和真空室，如同一條精密的金屬巨龍蜿蜒伸展。

“這裡就是高能同步輻射光源的‘心臟’。它周長1.36公裡，環內佔地面積堪比20個足球場。”董宇輝指著裝置結構圖介紹，“被加速到60億電子伏特的高能電子束，就在這個環裡以近光速運行，發射同步輻射光，為光束線站提供光源。”

儲存環中，1776塊磁鐵精密排列，引導著電子束的運行軌跡。電子束繞環一圈僅需4.5微秒，相當於一秒內要飛馳20多萬圈。在這極速的往復中，任何微小的偏差，都會導致電子撞上管壁而瞬間丟失。

為了讓電子束跑得更穩、產生的光更亮，項目團隊攻克了一系列世界級技術難題。比如，他們在國際上首創並採用回注型在軸置換注入方案，實現單束團高電荷量穩定運行，並創新採用48周期混合七彎鐵消色散磁聚焦結構。“通過增加彎轉磁鐵的數量並優化布局，我們將電子束的自然發射度降低至60皮米·弧度以內。”董宇輝說。

“皮米是電子束橫向粗細尺寸，弧度是電子束運行時發散角度，二者相乘的數值越小，說明電子束在高速飛奔時越聚攏、發散越少。該數值意味著，電子在飛奔過程中始終能保持緊湊的‘隊形’，發散程度僅有幾微米。”董宇輝補充道，這讓裝置能夠清晰捕捉微觀世界裡原子、分子的精細結構與超快運動。

同時，團隊還攻克了多項關鍵核心技術，實現了多個核心設備的國產化。比如，小孔徑磁鐵技術將磁鐵孔徑縮小到25毫米左右，使得磁場梯度達到第三代光源的4倍，從而實現對電子束的更精准控制﹔真空室內壁鍍膜技術解決了狹小空間內的真空維持難題﹔自主研發的芒果型扭擺器、四陣列AK型波蕩器等插入件技術，實現了國際上視場面積最大、高相干等更高品質X射線穩定輸出。

“得益於全面推進自主創新，高能同步輻射光源核心設備國產化率超95%，綜合性能達到國際同類裝置領先水平，光源亮度比第三代裝置高出近百倍，能夠源源不斷地產生高品質的X射線。”董宇輝說。

“試用效果遠超預期”

走出儲存環隧道，記者來到高能同步輻射光源硬X射線成像線站控制室。剛一進門，電腦屏幕上獼猴腦神經元連接網絡的大視場介觀三維圖便映入眼帘。

“這是我們線站正在進行的獼猴腦樣品成像實驗。”中國科學院高能物理研究所研究員黎剛介紹，硬X射線成像線站能產生高相干的高能X射線，具備強穿透、高靈敏、大視場、高分辨的成像能力，將推動航空航天材料研究、全腦介觀3D成像等前沿領域發展。

作為這台高能光源的特色線站之一，硬X射線成像線站只是“大家庭”的一員。高能同步輻射光源首期建成了14條用戶光束線站和1條測試線站。這些線站能為工程材料、芯片微電子、生物醫學等領域的研發提供關鍵支撐。

2025年10月29日，高能同步輻射光源通過中國科學院組織的工藝驗收，之后開展了數輪用戶試用課題征集。目前，該裝置採取“用戶試用實驗+性能優化”交替運行模式，研究內容涵蓋航空航天器件缺陷和疲勞評估、動力電池充放電原位研究、3D打印超快過程、腦及器官成像、半導體檢測等前沿領域。

在航空航天領域，該裝置通過高穿透能力，更深層次表征航空航天器件缺陷探測，助力航空航天安全﹔在生命科學領域，通過表征靈長類動物腦部神經元網絡，推動腦科學研究的發展﹔在新能源領域，通過高時空分辨原位表征動力電池充放電過程，助力開發高性能電池。

“用戶反饋試用效果遠超預期，有些此前在其他光源上無法看清的樣品，如今在高能同步輻射光源上能夠清晰分辨。”黎剛說，目前，項目團隊在推進裝置達標驗收的基礎上，正積極對接科研院所和龍頭企業的重大需求，力爭早出成果、多出成果、出大成果。

面向未來，高能同步輻射光源還將持續迭代，向著更低發射度、更短脈沖、更高亮度邁進。“我們已啟動后續線站建設的規劃，計劃新增多條光束線站及配套加速器設備，進一步提升用戶服務能力。”潘衛民透露，下一代光源有望將束流發射度降低至衍射極限，真正實現“看見每一個原子”。