摘要：我站在高能光子源（HEPS）前，旁边是杨富贵，该光子源位于北京怀柔区，距中国首都中心以北约 50 公里。HEPS 不仅仅是一个同步加速器光源。今年晚些时候启用后，它将成为世界上最先进的同类设施。这台巨型装置的建造始于 2019 年，对于负责设计该机器光束线的物

来源著名物理学基础研究报道网站Physics World

Robert P Crease参观了北京附近的高能光子源，该光子源将于今年晚些时候开放，成为最先进的第四代同步加速器光源

领先光源高能光子源 (HEPS) 将于 2025 年 12 月开始运行，将成为世界上最先进的同类型同步加速器光源。（图片来源：IHEP）

我站在高能光子源（HEPS）前，旁边是杨富贵，该光子源位于北京怀柔区，距中国首都中心以北约 50 公里。HEPS 不仅仅是一个同步加速器光源。今年晚些时候启用后，它将成为世界上最先进的同类设施。这台巨型装置的建造始于 2019 年，对于负责设计该机器光束线的物理学家杨来说，我们正处于一个关键时刻。

“这台机器有很多用途，但现在是时候确保它能进行新的科学研究了，”杨说，他是中国科学院高能物理研究所的研究员，该研究所正在建造这台新机器。随着环的完工，如果该设施要开辟新的研究领域，优化光束线将至关重要。

从空中看——谷歌会给你看照片——HEPS 看起来就像是躺在草地上的一面巨大的放大镜。但我是从陆地上来的，从我的角度来看，它就像一个巨大而闪闪发光的低矮银色体育场，周围环绕着精心维护的灌木丛、鲜花和喷泉。

2019 年，HEPS 破土动工时，我曾在北京，当时现场还是一片绿地。当时，我被告知，HEPS 需要六年半才能建成。我们的工程仍在按计划进行，如果一切按计划进行，该设施将于 2025 年 12 月投入使用。

全球有50 多个同步辐射源，它们产生的强烈、相干的电磁辐射束可用于从凝聚态物理到生物学等各个领域的实验。三个重大的硬件突破相继出现，使得同步辐射源之间自然划分，从而可以按其代数进行分类。

与瑞典的Max IV 、巴西的SIRIUS和法国欧洲同步辐射装置 (ESRF) 的超亮光源一样，HEPS 属于第四代光源。如今，此类设备已成为科学基础设施中不可或缺的重要部分，但同步辐射的出现却出乎意料地令人讨厌（Phys. Perspect. 10 438）。

经典电动力学认为，带电粒子在加速过程中（即改变其动量或速度）会沿其轨迹的切向方向辐射能量。早期加速器制造商认为他们可以忽略由此产生的能量损失。但在 1947 年，在纽约州斯克内克塔迪的通用电气 (GE) 研究实验室建造电子同步加速器的科学家们沮丧地发现，这种现象是真实存在的，会消耗设备的能量。

一切起源同步加速器光是在带电粒子加速时产生的。它之所以得名，是因为 1947 年，纽约通用电气研究实验室的科学家首次观察到了同步加速器光，他们透过同步加速器的玻璃真空室看到了一个明亮的光斑——这是该能量的可见部分。（图片来源：AIP Emilio Segrè 视觉档案馆，John P. Blewett 收藏）

然而，物理学中的琐碎之事却可以变成宝贵的工具。到 20 世纪 50 年代初，科学家们开始使用同步加速器光来研究吸收光谱和其他现象。到 20 世纪 60 年代中期，他们开始用它来研究材料的表面结构。但这些工作中的很多都被看似更有吸引力的物理学所掩盖。

高能粒子加速器，例如欧洲核子研究中心的质子同步加速器和布鲁克海文的交替梯度同步加速器，被认为是物理学中最令人兴奋、资金最充足、规模最大的仪器。它们是政客、媒体和公众眼中物理学的象征——研究世界基本结构的机器。

刚刚发现同步辐射光用途的研究人员不得不从仪器中拆下零部件。这些“第一代”同步加速器，如威斯康星州的“坦塔罗斯”、加利福尼亚州的斯坦福同步辐射计划和马萨诸塞州的剑桥电子加速器，都是用高能加速器的废弃部件拼凑而成或嫁接在其上的。它们被称为“寄生虫”。

早期采用者美国斯坦福同步辐射项目的规划图，该项目于 1974 年启动，成为“第一代”专用同步辐射光源之一。（图片来源：SLAC – Zawojski）

20 世纪 70 年代，加速器物理学家意识到，通过缩小电子束的角发散度，同步加速器光源可以变得更加有用，从而提高“亮度”。雷娜特·查斯曼和肯尼斯·格林设计了一种磁铁阵列，以最大限度地发挥这一特性。这种被称为“查斯曼-格林晶格”的磁铁阵列催生了第二代专用光源，这种光源是自行研制的，而不是借用。

紧随 1981 年在英国启用的同步辐射光源之后，位于布鲁克海文的国家同步辐射光源(NSLS I) 成为首个使用这种晶格的第二代光源。中国最古老的光源是北京同步辐射光源，于 1991 年初在北京向用户开放，它拥有查斯曼-格林晶格，但也必须从加速器上掠过光子；它是具有第二代晶格的第一代机器。中国第一台完全第二代的机器是同年晚些时候启用的合肥光源。

那时，被称为“波动器”的仪器已经开始被纳入光源。它们通过上下摆动电子束，使亮度增加数百倍，每次摆动都会产生相干的电子场。虽然波动器被插入第二代光源，但第三代从一开始就内置了它们。

聪明的想法波荡器由周期性排列的偶极磁铁（红色和绿色块）组成，具有以波长 λ u交替变化的静态磁场。穿过磁铁的电子束被迫振荡，发出比原本可能发出的光（橙色）亮数百倍的光。这种波荡器被添加到第二代同步加速器源中 - 但第三代设施从一开始就内置了它们。（来源：知识共享署名-相同方式共享 3.0 未移植许可证）

其中，第一台第三代光源是1988年正式向用户开放的欧洲同步辐射装置（ESRF）；随后，1995年美国阿贡国家实验室的先进光子源（APS）；1999年日本的SPring-8；中国大陆第一台第三代光源是2009年正式向用户开放的上海光源。

2010 年代，“多弯曲消色差”磁铁大幅缩小了光束元件的尺寸，进一步提高了亮度。包括 APS 在内的几台第三代机器都升级了消色差，将第三代机器变成了第四代机器。SIRIUS 的能量为 3 GeV，是第一台从头开始建造的第四代机器。

接下来是美国阿贡国家实验室的先进光子源，它是第三代同步加速器光源。（图片来源：阿贡国家实验室）

HEPS 的运行能量为 6 GeV，将成为第一台从零开始建造的高能第四代机器。它距离“衍射极限”更近了一步，而“衍射极限”最终是由不确定原理限制某些属性的同时规范的方式决定的。它使光束进一步缩小成为可能——但代价是失去亮度。这个极限仍然遥不可及，但 HEPS 让它更接近了。

高能电子战中心建在北京北部的一座山脉旁，那里的基岩为极其敏感的光束提供了稳定的平台。高能电子战中心隔壁是一座较小的体育场式建筑，用作实验室和办公室，后面还有一座更小的建筑，用作住房。

HEPS 的工作人员于 2024 年 8 月成功储存了该机器的第一束电子束，目前正在增强和优化电子束电流强度和寿命等参数。HEPS 将于今年年底启用，届时将拥有 14 条光束线，但最终设计为拥有约 90 个实验站。杨告诉我：“我们现在的任务是建造更多的光束线。”

在合肥科技大学学习物理后，杨的第一份工作是担任 HEPS 的光束线设计师。我参观时，这台机器还要一年多才能投入使用，环状结构的实验大厅是开放的。这里很宽敞，不像我去过的许多美国光源，由于机器和光束线多次升级，往往挤满了人。

与任何光源一样，HEP 的主要特征是其储存环，该储存环由交替的直段和弯段组成。在弯段处，电子会像旋转雨伞上的雨水一样发出 X 射线。X 射线强度高、能量大且可精细调节，它们沿着光束线传输，可用于从材料科学到生物医学的几乎所有领域。

新科学第四代光源，如高能光子源 (HEPS)，需要吸引国内外学术和商业用户。但只有时间才能告诉我们什么样的新科学可能成为可能。（图片来源：IHEP）

我们经过了其他针对二维、三维和纳米级结构进行优化的工位。偶尔，一辆载满设备的机动车呼啸而过，或者工人们骑着自行车从我们身边经过。时不时地，我会看到一条红色的中文横幅，上面写着白色的字体。杨翻译说，这些横幅宣传安全、细心和高质量工作中的精确性，这是中国著名职业道德的标志。

接下来我们来看看所谓的“粉色”光束。与波长分布范围很广的“白色”光束或特定颜色的单色光束（如红色）不同，粉色光束的波长分布既不宽也不窄。这允许更宽的通量（通常比单色光束高两个数量级），从而使研究人员能够快速获得衍射图样。

与此同时，另一条光束线被标记为“柔和”，因为它的能量介于 2 keV（“软”X 射线）和 10 keV（“硬”X 射线）之间。一位 HEPS 研究人员向我打趣说，它用于“介于烤牛排和果冻之间的材料”，指的是摇摇晃晃的美国沙漠。柔和光束用于不需要原子级分辨率的用途，例如原子的磁性行为。

三根光束管穿过实验大厅，到达位于大楼外的终端站。除其他用途外，它们还将用于纳米科学应用，单色仪会发出大部分 X 射线束，使其极其相干。我们还经过一个四四方方的玻璃结构，这是制造零件的洁净室，还有一根长约 100 米的直管，将用于测试可能影响光束精度的地球微小振动。

我曾与 NSLS 的一位主任交谈过，他每天一到就到设施里走一走，看看实验人员在做什么，并询问他们是否需要帮助。他的行程通常需要 5-10 分钟，而我和杨的行程则花了一个小时。

但第四代核辐射源，如高能电子束实验室，面临两大艰巨挑战。一是培育一个全球用户社区。高能电子束实验室附近是中国科学院新的雁栖湖校区，位于北京另一侧的群山之间，从那里我可以看到长城蜿蜒穿过附近的山丘。中国科学院的教职员工和学生将成为高能电子束实验室的学术用户，但实验室将如何引进国外研究人员呢？

HEPS 还需要吸引企业用户，让企业相信其机器的价值。日本的 SPring-8 拥有工业光束线，其中一条由汽车巨头丰田赞助，而中国上海的机器拥有由中国石油化工集团公司（中石化）建造的光束线。

杨当然愿意与商业伙伴合作。“我们欢迎企业，并能充分利用这台机器，这就足够了，”他说。“如果他们能为建设光束线做出贡献，那就更好了。”

第四代光源面临的另一大挑战是发现大幅增加的通量和亮度会带来哪些新事物。新一代改进的机器不一定会带来突破性的科学成果；并不是说只要打开一台亮度更高的机器，就能看到一个全新的领域。

第四代位于法国格勒诺布尔的欧洲同步辐射装置 (ESRF) 的超亮光源 (EBS) 上的 BM18 光束线。EBS 是一种专用的第四代光源，BM18 光束线非常适合监测变化非常缓慢的系统。（图片来源：ESRF）

相反，可能发生的情况是，在上一代同步加速器中作为演示或概念验证研究的技术在下一代同步加速器中应用于特定领域，但在下一代同步加速器中成为常规技术。一个很好的例子是散斑光谱法——一种基于干涉的技术，需要足够相干的光源——它应该在 HEPS 等第四代光源中得到广泛应用。

对于 HEPS 来说，挑战在于发现这些技术将使材料、化学、工程和生物医学领域的哪些新研究成为可能。每当我问光源实验人员第四代机器将允许哪些新科学时，他们总会回答：“十年后再问我！”

杨等不了那么久。“我的职业生涯就是从这里开始的，”他兴奋地指着机器说道。“现在是时候了——刚开始的时候——尝试让这台机器做新的科学研究。如果可以的话，我会在这里结束我的职业生涯！”

来源：人工智能学家