HEPS儲存環(huán)結構單元工藝安裝實(shí)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(jiǎn)介：

 

　　高能同步輻射光源（HEPS）是國家重大科技基礎設施建設“十三五”規劃布局的大科學(xué)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(jìn)的X射線(xiàn)光子科學(xué)研究平臺之一，作為探索物質(zhì)內部結構與變化過(guò)程的強有力的科學(xué)工具，為基礎科學(xué)和工程科學(xué)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(xué)院高能物理研究所作為法人單位承擔建設。

 

　　說(shuō)起光源，你會(huì )想到什么？或許是太陽(yáng)、電燈，抑或是燃燒著(zhù)的蠟燭……

 

　　這些光源發(fā)出的我們肉眼看得見(jiàn)的光，被稱(chēng)為可見(jiàn)光。不過(guò)，在光的大家族中，可見(jiàn)光只是其中很小的一部分，還有無(wú)線(xiàn)電波、微波、紅外線(xiàn)、紫外線(xiàn)、軟X射線(xiàn)、硬X射線(xiàn)、伽馬射線(xiàn)等許多肉眼看不見(jiàn)的光。借助這些看得見(jiàn)、看不見(jiàn)的光，人類(lèi)不斷探索著(zhù)未知世界。

 

　　在北京懷柔科學(xué)城，有一個(gè)全球最“亮”的光源正在建設之中。如同一個(gè)超大號的X光機，它可以“照亮”微觀(guān)世界，通過(guò)對微觀(guān)結構多維度、實(shí)時(shí)、原位表征，為物質(zhì)做“體檢”，揭示物質(zhì)微觀(guān)結構生成及演化機制。

 

　　它就是我國建設的首臺第四代同步輻射光源——高能同步輻射光源（HEPS），也被稱(chēng)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設施高能同步輻射光源。

 

　　能量更高、亮度更強——物質(zhì)內部的微觀(guān)結構“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成，整體外形如同一個(gè)放大鏡，寓意“探測微觀(guān)世界的利器”。

 

　　其中，綜合實(shí)驗樓和用戶(hù)服務(wù)樓構成“放大鏡”的“手柄”，最大的圓環(huán)狀建筑則是光源裝置區域，如同“放大鏡”的“鏡框”。

 

　　這個(gè)“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(jiàn)過(guò)的世界。

 

　　“在這個(gè)主體建筑里，分布著(zhù)電子注入器（直線(xiàn)加速器+增強器）、電子儲存環(huán)、光束線(xiàn)站等。”HEPS加速器物理系統負責人、中國科學(xué)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(xiàn)加速器將電子束加速到0.5GeV的高能量，注入周長(cháng)450多米的環(huán)形增強器，繼續提高能量到額定的6GeV。此時(shí)的電子束無(wú)限接近光速，然后被注入至更大的圓環(huán)——周長(cháng)1360米的儲存環(huán)，以接近光速的速度保持運動(dòng)。在儲存環(huán)上的不同位置，電子束通過(guò)彎轉磁鐵或者各種插入件時(shí)，會(huì )沿著(zhù)偏轉軌道切線(xiàn)方向釋放出穩定而且高能量、高亮度的光——同步輻射光。

 

　　“你可以把HEPS看成一個(gè)具有超精密、超快、超穿透能力的巨型X光機，就像我們在醫院拍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)、深入內部進(jìn)行立體掃描，從分子、原子尺度觀(guān)察微觀(guān)世界之中的時(shí)空流變。”焦毅告訴記者。

 

　　記者了解到，X射線(xiàn)被視為探測物質(zhì)結構的探針，其亮度越高，物質(zhì)內部的微觀(guān)結構便“看”得越清楚。自一百多年前倫琴發(fā)現X射線(xiàn)以來(lái)，科學(xué)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(xiàn)。同步輻射光源就是其中一種重要的X射線(xiàn)源。

 

　　據了解，接近光速的帶電粒子在做曲線(xiàn)運動(dòng)時(shí)沿切線(xiàn)方向發(fā)出的電磁輻射，即為同步輻射光。“就像下雨時(shí)，我們快速轉動(dòng)雨傘，沿著(zhù)雨傘邊緣的切線(xiàn)方向會(huì )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(cháng)董宇輝解釋說(shuō)，與常規X射線(xiàn)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(jiàn)光、紫外光和X射線(xiàn)波段，亮度更高——高出常規X光機產(chǎn)生的X光4至14個(gè)量級，可用于高穿透性、高時(shí)空分辨的實(shí)驗，另外相干性和準直性也更好。

 

　　一直以來(lái)，我國都很重視同步輻射光源的發(fā)展建設。迄今，我國大陸地區已經(jīng)完成了三代同步輻射裝置的發(fā)展建設。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(kāi)放運行以來(lái)，各裝置孕育了許多重量級的科學(xué)研究成果。

 

　　既然已經(jīng)有了這么多個(gè)同步輻射光源，為何還要建設HEPS？

 

　　據介紹，根據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重于功能研究，比如化學(xué)反應、超導電性、磁性等；中、高能同步輻射光源側重于研究結構，可用于觀(guān)察單晶生長(cháng)、蛋白質(zhì)分子結構、航空發(fā)動(dòng)機單晶葉片的結構缺陷等。

 

　　“在HEPS之前，我國同步輻射裝置均為中低能區，還沒(méi)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(xiàn)。作為第四代同步輻射光源，HEPS儲存環(huán)由48個(gè)多彎鐵消色散單元構成，電子發(fā)射度更低，亮度比第三代光源要高出100倍，是太陽(yáng)的100萬(wàn)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)的內部結構。

 

　　施工難度和工藝要求前所未有——“卡脖子”技術(shù)問(wèn)題被一一破解

 

　　HEPS于2019年6月啟動(dòng)建設，計劃2025年建成驗收。當前，正處于基建收尾、設備安裝并行階段。

 

　　加速器是HEPS的核心部分，包括直線(xiàn)加速器、增強器和電子儲存環(huán)。“目前，直線(xiàn)加速器和增強器設備安裝基本完成，電子儲存環(huán)也已經(jīng)啟動(dòng)安裝。”焦毅告訴記者，最近他正忙著(zhù)為直線(xiàn)加速器的束流調試做準備。

 

　　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(guān)結構。但讓“調皮”的電子抱得更緊，并“聽(tīng)話(huà)”地按照預定的軌道高速運動(dòng)，并不容易。

 

　　“你知道嗎？未來(lái)，裝置投用后，電子束在周長(cháng)1300多米的儲存環(huán)中跑一圈只需要4.3微秒，而其運動(dòng)孔徑僅有22毫米，所以任何一點(diǎn)細微的偏差都會(huì )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(gè)例子。在儲存環(huán)建設施工過(guò)程中有這樣一個(gè)指標：儲存環(huán)在1至100Hz范圍內地面振動(dòng)的均方根位移積分不能超過(guò)25納米。“施工單位負責人當時(shí)的第一反應是‘不可能實(shí)現’。”

 

　　他們沒(méi)有因此降低標準。因為超了，實(shí)驗精度就無(wú)法保證。最終，團隊創(chuàng )新設計施工，達到了設計指標要求。“后續我們也會(huì )不斷跟蹤，根據加速器物理和光束線(xiàn)站要求，積極采取各種減震措施，確保微振動(dòng)指標達標。”HEPS工程總指揮、中科院高能所研究員潘衛民說(shuō)。

 

　　在已經(jīng)完成主體設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，第四代同步輻射光源中最為關(guān)鍵的系統之一，控制著(zhù)電子的方向。”焦毅介紹，加速器絕大多數能看到的設備都是磁鐵。在環(huán)形增強器中，僅磁鐵就有數百塊。而在儲存環(huán)中，使用的磁鐵數量將超過(guò)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(cháng)方體狀磁鐵是二極鐵，可以讓電子“轉彎”；藍色的有四個(gè)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(shuō)達到了磁鐵技術(shù)的極限，無(wú)論是從技術(shù)上，還是加工工藝、安裝工藝上。”焦毅說(shuō)，其加工精度及安裝準直誤差均為10微米量級。

 

　　同時(shí)，光束線(xiàn)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(xiàn)測試，首臺自研鏡箱和單色器通過(guò)出廠(chǎng)驗收等。

 

　　“雖然在硬件設計和工程推進(jìn)過(guò)程中遇到了不少問(wèn)題和挑戰，甚至是‘卡脖子’技術(shù)問(wèn)題，但都在大家的齊心協(xié)力下被一一破解。”憶及整個(gè)項目團隊數年來(lái)的艱辛付出，焦毅感慨，他們不斷攻堅克難，用實(shí)際行動(dòng)推進(jìn)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(dòng)權；只有在所有的細節上做到極致，才能最終得到一個(gè)極致的結果。”

 

　　將在先進(jìn)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(shí)驗大廳，各光束線(xiàn)站的位置所在。光束線(xiàn)站是HEPS的主體部分，是HEPS服務(wù)用戶(hù)的客戶(hù)端，也是科研人員利用光源開(kāi)展科學(xué)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(shí)見(jiàn)到的平整墻面不同，每隔一段距離，這個(gè)隔離墻就會(huì )有一個(gè)“鋸齒”狀凸出，“鋸齒”上有一個(gè)45公分見(jiàn)方的小“窗戶(hù)”。

 

　　“這是前端區的出光孔，是連接儲存環(huán)和實(shí)驗站的‘橋梁’。”HEPS結構動(dòng)力學(xué)線(xiàn)站負責人、中科院高能所副研究員張兵兵告訴記者，未來(lái)，同步光將從這個(gè)孔射出，根據實(shí)驗需求經(jīng)調制后進(jìn)入實(shí)驗站供各領(lǐng)域用戶(hù)開(kāi)展科學(xué)實(shí)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(hù)使用，需要經(jīng)過(guò)光束線(xiàn)上單色器、聚焦鏡等一系列的光學(xué)元件，從寬波段的‘白光’里，挑選出波長(cháng)單一的單色光，并進(jìn)一步將光斑尺寸聚焦到更小的尺寸，才能供用戶(hù)開(kāi)展更高精度的實(shí)驗。”

 

　　據介紹，HEPS建設高性能光束線(xiàn)站的容量不少于90條，首批建設14條面向用戶(hù)的公共光束線(xiàn)和相應的實(shí)驗站，可提供納米空間分辨、皮秒時(shí)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(zhù)穿透金屬等工程材料可達毫米，甚至厘米級，比常規中低能光源提高3至4個(gè)數量級，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(shí)，有效覆蓋光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡之間的空白區；時(shí)間分辨達到皮秒量級，1萬(wàn)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(dòng)態(tài)加載等超快時(shí)間尺度下的動(dòng)態(tài)不可逆過(guò)程。”張兵兵說(shuō)。

 

　　記者了解到，不同線(xiàn)站都有其擅長(cháng)的實(shí)驗方法，可支持先進(jìn)材料、航空航天、能源、環(huán)保、醫藥等領(lǐng)域前沿科學(xué)研究。在為眾多用戶(hù)提供常規技術(shù)支撐的同時(shí)，還將為國家發(fā)展戰略和工業(yè)核心迫切需求的研究領(lǐng)域提供多維度、實(shí)時(shí)、原位的表征平臺，為工程材料的成分設計、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構信息和評價(jià)手段。

 

　　“HEPS的光具有高能量、高亮度、高相干等特點(diǎn)，高空間分辨的‘魚(yú)’和高時(shí)間分辨的‘熊掌’可以兼得，可以進(jìn)一步提高實(shí)驗的信噪比，進(jìn)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(xué)等。”張兵兵介紹說(shuō)，比如，可以原位觀(guān)察單晶的生長(cháng)過(guò)程，揭示單晶葉片缺陷的形成機制和等軸晶—柱狀晶轉變機理；對工程材料開(kāi)展全壽命周期多尺度表征，探究材料在制造和服役過(guò)程中的失效因素；解釋重要蛋白的功能，推動(dòng)新藥發(fā)明，等等。

 

　　“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是從飛機發(fā)動(dòng)機到病毒蛋白質(zhì)，未來(lái)都能在這里進(jìn)行‘體檢’。”張兵兵介紹說(shuō)，比如有的工程材料可能存在雜質(zhì)和斷裂等問(wèn)題，僅憑肉眼很難看清，但通過(guò)HEPS就能一下子讓問(wèn)題一覽無(wú)余。

 

　　創(chuàng )新驅動(dòng)發(fā)展。作為“探測微觀(guān)世界的利器”，HEPS建成后，將堅持“四個(gè)面向”“兩加快一努力”，為提高我國在基礎前沿和交叉科學(xué)領(lǐng)域的原始創(chuàng )新能力和科技綜合實(shí)力貢獻力量。

 

“期待HEPS的第一束光。”焦毅、張兵兵表示。

 

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