世界上最亮的X射线:中国在亚洲率先建造下一代同步加速器

北京郊外耗资6.65亿美元的高能光子源(HEPS)使中国成为少数几个拥有第四代同步加速器光源的国家之一。

　　

中国全新的高能光子源将于2025年向科研人员开放。

到今年年底，世界上最亮的同步加速器X射线将在中国新的高能设施周围建成。耗资48亿元人民币(6.65亿美元)的高能光子源(HEPS)将是亚洲首个此类项目，使中国成为世界上少数几个拥有第四代同步加速器光源的国家之一。

在距北京市中心约50公里的怀柔的圆形HEPS大楼里，研究人员正在对数千个组件进行微调，这些组件将有助于产生一种能够穿透样品深处、实时揭示其分子和原子结构的光源。到6月底，HEPS团队希望完成真空室系统的安装，这是维持光的亮度和稳定性的重要组成部分。

超分辨率

在其周长1.36公里的存储环内，HEPS将把电子加速到60亿电子伏特的能量。这将产生高能或“硬”X射线，可以探测纳米尺度的样品。它的时间分辨率将比第三代同步加速器高1万倍，比如周长432米的上海同步辐射设施——目前中国最先进的运行同步加速器。北京中国科学院高能物理研究所(IHEP)的光束线科学家Ye Tao说，这将使研究人员能够在数百纳秒内而不是几毫秒内进行测量。

当HEPS于2025年向研究人员开放时，用户将能够从14条光束线中进行选择，用于生物医学、能源、先进材料和凝聚态物理等学科的实验。未来，HEPS有望容纳多达90条光束线。这个圆形设施将“影响除数学以外的所有科学领域”。

例如，为了确定蛋白质的原子结构，研究人员需要纯化并诱导这些分子形成有序的晶体结构，以便用X射线可视化，旧的同步加速器需要大量的样品，很难生产，这使得研究较小的蛋白质晶体几乎是不可能的。但HEPS的硬X射线将足够强大，甚至可以详细分析最微小的样本。他补充说，新的同步加速器还将使研究人员能够快速完成在旧设备上需要几天才能完成的实验。

更大更亮

目前世界上大约有70个同步加速器正在运行或正在建设中。但只有少数是第四代俱乐部的一部分-产生最明亮，最集中的光。其中包括瑞典的MAX IV实验室，巴西坎皮纳斯的Sirius实验室，法国格勒诺布尔的欧洲同步辐射设施的极亮源，以及伊利诺伊州莱蒙特的先进光子源，后者的升级工作几乎已经完成。IHEP的物理学家、HEPS的副经理Yuhui Li说，HEPS是从零开始建造的，而不是在现有设施上建造的，因为它需要一个比中国现有的任何加速器都大得多的加速器来产生强大的硬X射线。

物理学家Harry Westfahl Jr说，像HEPS这样的第四代设备依靠一组被称为多弯消色差点阵的磁铁来产生比上一代设备产生的X射线束更窄，因此更亮。他是管理天狼星的巴西同步加速器光实验室的主任。HEPS的电子束将是世界上最窄的，这使它能够产生特别强烈的X射线。这将使研究人员能够从他们的样本中获得更多的信息，而不是使用早期的光源，但辐射剂量相同。HEPS国际咨询委员会成员Westfahl补充说，这种高分辨率成像将对科学家对物质特性的理解和新材料的开发产生重大影响。

目前，研究人员的重点是确保光束足够稳定，可以使用。Li说，这是一个精细的过程，需要一步一步的调整。“一开始没有光束是完美的，”他说。