這只年底睜開的“超級眼睛”， 為何是我國科技自立自強的利器

【文/觀察者網 心智研究所】

2025年10月29日，在北京懷柔科學城，國家重大科技基礎設施建設項目——高能同步輻射光源（HEPS）順利通過了工藝驗收。這座世界上設計亮度最高的第四代同步輻射光源，如同我國探索微觀世界的“巨型X光機”和“大國重器”，預計將在今年年底正式開啟試運行。

從空中俯瞰，這座宏大的裝置形似一個超級放大鏡，其建成標志著我國同步輻射光源實現了代際跨越，將為解決國家重大需求和前沿科學問題提供強大的技術支撐。

照亮微觀世界的“巨型X光機”

要理解HEPS的強大，必須首先明確它所發出的光線及其特性。

HEPS發出的光是肉眼看不見的X光，即X射線，它是一種波長極短的電磁波，波長介于0.01到100埃之間。由于物質微觀結構中原子和分子之間的距離，大約在1到10埃的范圍，恰好落在了X射線的波長內，因此，X射線通過與物質發生散射、衍射和吸收等作用，能夠傳遞極其豐富的微觀結構信息，使其成為探測物質微觀結構的理想探針。HEPS的巨型X光機能讓科學家們比以往任何時候都更細致地觀察物質的微觀世界。

HEPS產生X光的方式被稱為“同步輻射”，其原理可以形象地理解為雨中轉動的雨傘：接近光速運動的帶電粒子（在HEPS中是電子）在磁場中做曲線運動時，會沿著彎轉軌道的切線方向，像水珠飛出一樣，發射出連續的電磁輻射。這種現象最初是在1947年于電子同步加速器上被意外觀測到的。

HEPS的“高能”特性意味著其電子束流能量高達6 GeV，這是我國第一臺高能量同步輻射光源。高能量使得HEPS能夠提供能量高達300 keV（千電子伏特）的硬X射線，這種射線穿透能力極強，可以深入大塊樣品內部進行高分辨探測，對于分析航空發動機葉片、探察工件內部的缺陷，以及開展極端條件實驗等國家重大需求研究至關重要。

HEPS最引人注目的性能指標是它的亮度。亮度是衡量光源品質的最關鍵參數，HEPS的光比普通X光機亮10萬億倍，比太陽的亮度高1萬億倍。作為第四代同步輻射光源，它的X射線亮度比第三代光源還要高出100到1000倍。更高的亮度意味著更高的信噪比、更高的探測精度以及更快的實驗效率。

此外，同步輻射光還擁有寬波段連續可調、方向性極強的高準直性、高偏振性以及脈沖結構等優異性能，特別是脈沖結構，對于研究化學反應過程、生命過程等“變化過程”非常有用。

跨越代際的“三級火箭”與技術飛躍

HEPS是我國和亞洲建設的首個第四代同步輻射光源項目。這座大科學裝置的工作原理是通過“加速電子，生產光”。整個加速器系統由三臺獨立的加速器構成，猶如一枚“三級火箭”。

首先，電子槍產生的高品質電子束，經過長約49米的直線加速器加速到0.5 GeV。這臺“一級發動機”已于今年6月通過了工藝驗收。

隨后，電子束被注入周長450多米的環形增強器，進一步將能量提高到額定的6 GeV，增強器也已通過了工藝驗收。

最后，6 GeV的電子束團被注入周長約1360米的儲存環，這座環形建筑占地面積可以容納20個足球場。電子束以接近光速的速度在儲存環內回旋運行，在通過彎轉磁鐵或像“芒果”型扭擺器等插入件時，沿切線方向釋放出穩定且高能量、高亮度的同步輻射光。

第四代同步輻射光源的核心技術突破在于實現了極低的電子發射度。發射度是衡量電子束流品質的關鍵參數，發射度越小，光束的橫向分散程度越小，光束品質就越好，亮度也就越高。HEPS儲存環的設計發射度約為35 pm·rad，在國際同類已建及在建光源中，是自然發射度指標最高的儲存環設計方案之一。

為了達到這一超低發射度目標，HEPS在國際通用的多彎鐵消色散（MBA）結構基礎上進行了創新，融合了包括縱向梯度二極鐵等新型單元節在內的多項設計。在性能工藝測試中，HEPS加速器的各項指標都達到了甚至優于驗收指標，例如儲存環的束流能量實測為6.01 GeV，水平自然發射度為0.0568 nm·rad。

HEPS的精密性也體現在其極高的穩定性上，例如在今年9月的一次調束過程中，HEPS完整而清晰地記錄了堪察加東岸附近海域發生的7.8級地震所導致的地面波動，軌道異常波動峰值達到了約330微米，這充分展示了其超高的束流品質和卓越的靈敏度。

自主攻關：十年磨一劍的X光探測之眼

盡管我國在加速器技術上已達到世界一流水平，能夠產生高品質的X光，但在X光探測這一關鍵領域，特別是高端科學儀器方面，長期以來一直受制于國外的壟斷。

這種壟斷不僅造成儀器價格高昂，推高了裝置的建設成本，更重要的是，它限制了科學家對定制化儀器的需求，使得光源的全部性能無法得到完全發揮。因此，為了實現原始創新，國內科研團隊決定從零開始，攻克自己的X射線探測器技術。

傳統上探測X射線的方法，例如醫院胸透所用的技術，是通過閃爍體材料將X光轉換為可見光，再由可見光相機拍攝，這個過程中會損失精度。科研人員的目標是實現更高效的“直接探測”，讓X光直接轉換為電信號進行處理。

直接探測面臨兩大難點：一是X光的能量高，穿透性強，對多數材料而言如同“透明”。解決之道是利用高密度半導體材料，并在其中施加強大的電場，如同一堵厚厚的墻配上電網，使得X光插翅難逃。二是X射線難以被看清，即難以精確定位。這通過將探測材料劃分成大量能獨立工作的細密小單元，即像素，來精確記錄X光被捕捉的位置信息，最終組合成清晰的圖像。

探測器從結構上可以分為三個關鍵部分。傳感器充當“眼睛”，負責感光和精確探測，其制造工藝要求極高潔凈度。專用集成電路芯片作為“大腦”，處理轉換來的電信號，其設計需要將復雜的功能集成到極小的像素單元內。設計中需要像進行精密外科手術一樣處理微弱信號，同時還要高速搬運數據，避免相互干擾。

這款芯片采用了國內CMOS 130納米集成電路工藝。連接傳感器和芯片的是“神經”，采用了先進的倒裝焊技術。這項工藝使用比頭發絲還細的金屬小球陣列將兩者精密封裝在一起，其密度極高，對加工精度提出了嚴格要求，直接決定了探測器的可靠性。

這項長達十年的研發工作，始于國內技術基礎基本空白的困境，面臨著巨大的技術和心理壓力。但正是這種對打破“卡脖子”現狀的不懈追求，促使團隊解決了傳感器、讀出芯片和倒裝焊這三大關鍵技術難關。

雖然后續將模塊整合成可用的整機耗費了大量時間解決瑣碎的工程問題，但最終研發出的第三代樣機性能已完全可以對標甚至超越國際主流產品，實現了國產化替代。這些系統具備超高的動態范圍，最亮與最暗點的亮度差別可超過100萬倍，并且具有每秒超過1000張的高速成像能力，遠遠超過了之前的國際主流產品。

未來HEPS建成后，將有大批自主設計的探測器投入線站使用，最大版本的像素可達到600萬。

超越極限的探索視野與科學愿景

HEPS作為理想的多學科交叉研究平臺，其卓越性能將為我國基礎科學和工業創新領域的原創性、突破性研究提供重要支撐。它能夠提供納米級別的空間分辨、皮秒級別的時間分辨和毫電子伏級別的能量分辨的同步光。

在生命科學領域，迄今為止，世界上約70%的已知生物大分子結構，如蛋白質、病毒等，都是借助同步輻射光解析的。我國科研人員曾借助第三代光源率先解析新冠病毒關鍵蛋白的高分辨結構。HEPS將支持更前沿的研究，包括靈長類腦成像及神經網絡連接的三維成像解析。HEPS的高清成像技術也有潛力推廣到醫學成像等應用領域，例如觀察藥物如何與靶點作用，以輔助開發抗腫瘤藥物。

在工程和材料創新方面，HEPS的“超級眼睛”能夠解決工業生產中的實際問題。高能X射線穿透力強，使得高能射線衍射實驗能深入大塊樣品內部，分析工件內部的晶粒、缺陷等關鍵結構信息，這對于航空航天領域的材料研究（如探察航空工程材料的微結構缺陷）至關重要。它還可以通過原子級別逐個探測芯片表面，為破解芯片“卡脖子”難題提供支撐。此外，HEPS還能幫助研究人員觀察鋰離子在電池中的移動過程，從而找到提高電池容量和壽命的方法。

同步輻射光源的應用充滿了趣味性。例如，科學家利用歐洲同步輻射光源（ESRF）的X射線粉末衍射技術，成功確定了可可脂關鍵成分的晶體結構，構建了能實現入口即化的結晶V的結構模型。這項研究直接促進了新專利的誕生，有助于克服巧克力表面形成“反霜”的問題，從而提升巧克力的口感。

另一個例子是，研究人員利用美國阿貢國家實驗室的先進光子源（APS），通過相位襯度成像技術，觀察活體蚊子吸食液體，并發現了蚊子吮吸的兩種模式，包括前所未見的“爆發模式”，該模式的流量比連續模式高出27倍，其發現為微流控醫療裝置的研發提供了新思路。

APS光束線分布示意圖

鑄就國之重器：HEPS的里程碑與深遠影響

HEPS作為《國家重大科技基礎設施建設“十三五”規劃》優先布局的項目之一，于2019年6月在北京懷柔科學城開工建設。工程技術人員僅用了三年多的時間就完成了土建部分的建設。在安裝過程中，儲存環的1776臺磁鐵安裝精度誤差小于50微米，再次創造了中國奇跡。整個建設過程有力地提升了我國在精密機械、光學、探測器等技術領域的設計和制造能力。

工藝驗收專家組一致認為，HEPS項目完成了批復的相關建設內容和任務，綜合性能達到國際同類裝置的領先水平。加速器和光束線站的關鍵指標均已通過或優于驗收指標，例如硬X射線納米探針線站的光斑尺寸已達到12.5納米。

目前，HEPS已建設有首批14條用戶光束線站和1條測試線站。工程總指揮潘衛民研究員表示，HEPS預計將在今年底開啟試運行，并在明年6月國家驗收完畢后正式投入運行。

HEPS是建設科技強國、實現高水平科技自立自強的利器。它的價值不僅在于實現了我國同步輻射光源的代際跨越，更在于其對科研成本的巨大節省和對產業的推動作用。以自主研發的探測器系統為例，每臺可節省數百萬元人民幣，未來90多條線站的建設將節省數億元的科研成本，這些資金可以投入到更先進的前沿探索中。

同時，通過十年積累，團隊具備了整體系統開發能力，能夠根據科學家的需求定制全新的探測器系統，確保與光源的共同升級。這座世界上設計亮度最高的第四代同步輻射光源，將為我國在能源、環境、生物醫學、新材料等基礎和應用領域的研究提供強大的技術支撐，持續推動科技創新與產業創新深度融合。

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