在浩瀚无垠的宇宙中，万物皆有其独特的奥秘。从宏观的星辰大海到微观的原子世界，人类的好奇心从未停歇。如果我们能够亲眼看到组成万物的原子和分子，那将是多么震撼的景象！但现实是，这些微观粒子实在太小了，超出了我们肉眼甚至普通光学仪器的观测范围。因此，科学家们需要借助更高级的工具来照亮这片未知的领域。
图1 各种波长的光谱图
有一种神奇的光源，它如同探索微观世界的“超级显微镜”，以其独特的魅力和无限的潜力，引领着科学家们向未知的领域迈进。它，就是我国科技界的一项壮丽成就——第四代高能同步辐射光源装置（HEPS）。
HEPS，是一种利用带电粒子在加速器中高速运动时产生的辐射光来照亮微观世界的装置。该装置赋予了科学研究前所未有的“透视”利器。这种同步辐射不仅覆盖了从红外线到X射线的广阔波段，而且具有超高亮度、连续可调、高准直性等优越性能，能够穿透物质表面，揭示其内部的精细结构。如同一盏明灯，它应运而生，在漆黑的微观世界里照亮了无数未知的角落，让我们得以窥见那些隐藏在日常生活表象之下的秘密。
从梦想到现实，四代光源的璀璨飞跃
我国的同步辐射光源研究始于20世纪80年代，最早可以追溯到北京正负电子对撞机（BEPC）上运行的北京同步辐射装置（BSRF）。BSRF是在粒子加速器基础上开发出的附属研究工具，主要用于提供初步的同步辐射光源。如同全球的第一代同步辐射光源，BSRF也主要依赖于粒子加速器产生同步辐射，光源性能和时间脉冲结构都受到了一定的限制。北京正负电子对撞机上的北京同步辐射装置（BSRF）作为先驱，开启了探索的序幕。这不仅是技术的启蒙，更是梦想的萌芽。
随着科技的不断发展，为了更高效地利用同步辐射光源，我国开始设计和建造专用于同步辐射研究的装置。合肥同步辐射光源（HLS）就是这一时期的代表性成果。HLS是专门为同步辐射研究设计的装置，采用了在粒子加速器中加入插入件的方法，它们由极性交替的周期性磁体阵列组成，当电子经过磁体时会进行震荡运动，而磁体的周期排布将电子震荡运动时产生的辐射进行叠加，一定程度上提高了同步辐射的强度，为科学家们提供了更为精准而强大的研究工具。
图2 合肥同步辐射光源（HLS）
进入21世纪，随着全球同步辐射技术的快速发展，我国也迎来了第三代同步辐射光源的建设高潮。上海光源（SSRF）作为我国乃至世界上最为先进的第三代同步辐射光源之一，标志着我国在同步辐射技术研究领域的重大突破。SSRF大量使用了插入件技术，不仅保留了第二代的性能优势，还显著提高了光源的亮度和分辨率、增强了光源的偏振性和相干性。
图3 上海光源（SSRF）
从早期的北京同步辐射装置（BSRF）到合肥同步辐射光源（HLS），再到上海光源（SSRF），每一代都代表了技术上的巨大进步。然而，这些光源在亮度和能量上仍有进一步提升的空间。于是，科学家们把目光投向了更远的未来——第四代高能同步辐射光源装置（HEPS）。它将成为我国乃至世界上最先进的高能同步辐射光源之一，这颗璀璨明珠，正引领我们向微观世界的更深处进发。
HEPS启航破迷雾，解密微观新视界
那么，高能辐射同步光源（HEPS）究竟是如何工作的呢？
下雨天，当我们快速转动雨伞，沿伞边缘的切线方向，会飞出一簇簇水珠。光源的加速器好似这把雨伞，水珠就是x光，我们称之为同步辐射光。换言之，你可以将强磁场想象成游乐园的旋转木马设施，当你手中的荧光棒随着木马快速旋转时，便能展现出一条条光亮的轨迹。同样，当电子以接近光速的速度在环形加速器中高速旋转时，它们也会在其切线方向激发出强烈的光辐射，拥有惊人的能量。
从空中俯瞰高能同步辐射光源建筑群，在主装置区域里边是HEPS装置的核心，包含加速器、光束线、实验站三个部分。高能同步辐射光源的简称是“高能光源”，作为国家重大科技基础设施，高能光源主要由直线加速器、增强器、储存环、三个加速器和多条光束线站构成，这些部分共同协作，将电子加速到极高的速度，并在其运动过程中产生同步辐射光。
图4 高能同步辐射光源建筑群
图5 高能同步辐射光源构成图
通过调整加速器的参数，科学家们还可以精准控制同步辐射的波长和强度，为科学探究“定制”光束。这些同步辐射光经过一系列精密的光学系统处理后，变得非常纯净且能量集中。它们被输送到实验站，供科学家们使用各种先进的仪器进行科学实验。在这里，科学家们拥有了“透视眼”，利用同步辐射光穿透物质表面的能力，揭示出物质内部的微观结构和动态变化过程。
独步风骚，照亮科研未来道
HEPS继承了前三代光源的优点，不仅如此，相比前三代同步辐射光源，HEPS具有许多独特的优势。在亮度、能量、分辨率等方面实现了质的飞跃，照亮探测微光世界的能力更强，可以更深地穿透物质，进行立体扫描，揭示物质微观结构生成及演化机制。
首先，它的亮度极高，是太阳的1万亿倍，这意味着它可以更清晰地照亮微观世界，发现更多隐藏的细节。其次，HEPS产生的同步辐射光具有超高分辨率，能够捕捉到物质内部微小的变化过程。最后，HEPS还具备精准的时间分辨能力，可以实时观测物质在极短时间内的动态变化。
这些优势使得HEPS在多个领域具有广泛的应用前景。同步辐射装置作为一种高科技实验设备，现已成为科学研究不可或缺的重要工具。随着时代的不断推进，同步辐射技术不仅已在材料科学、环境科学、生命科学等多个领域中做出卓越的贡献，而且还有望为量子计算、纳米技术、能源科学等前沿领域照亮科研的征途。
在材料科学领域，借助HEPS，科学家们能对半导体等其他材料进行微观结构分析、化学成分检测以及性能评估，这对于新型材料的研发、性能优化及失效机理分析具有重要的意义；在航空航天领域，HEPS可以帮助科学家们研究新型工程材料的微观结构和性能，为制造更先进、更轻、更耐用的飞机和火箭提供科学依据；在生命科学领域，HEPS可以揭示病毒蛋白质的结构和功能，为开发新型药物和疫苗提供重要线索。
筑梦怀柔，壮丽建设展宏图
HEPS的建设是一项庞大而复杂的工程，需要多学科、多领域的专家团队共同努力。在北京怀柔科学城，这座高科技的“巨无霸”正在紧锣密鼓地建造中。从设计规划到施工建设，每一个环节都凝聚着科学家们的智慧和汗水。
2023年3月14日，HEPS迎来了一个重要的里程碑——成功加速第一束电子束。这标志着该光源正式进入科研设备安装、调束并行的关键阶段。预计在未来两年内，HEPS将全面建成并投入使用，为我国乃至世界的科学研究贡献强大的力量。
图6 HEPS加速电子束
HEPS不仅将成为我国科学研究的重要平台，还将促进国际交流与合作，推动全球同步辐射光源技术的发展。
回顾同步辐射的发展历程，我们不禁为人类的智慧和勇气所折服。从最初的设想到如今的广泛应用，每一步跨越都凝聚着无数科学家的心血和汗水。正是他们对科学的热爱和执着追求，才能让我们得以窥探并感慨微观世界的奥秘，推动着文明进步。
在这个机遇与挑战并存的时代，我们应携手并进，去探索未知的科学领域。相信在不久的将来，同步辐射技术会解锁更多的宇宙奥秘，让世界因科学之光而更加辉煌。同时我们也应珍视每一次科研探索的机遇，积极培育科学思维，为未来的科学事业开启新的篇章。
