大國之“光”

中國大科學(xué)裝置巡禮系列報道

在北京市懷柔區(qū)雁棲湖畔，一座外形酷似放大鏡的巨型建筑悄然矗立。它不是普通的科研實驗室，而是我國最新一代高能同步輻射光源——北京懷柔同步輻射光源（High Energy Photon Source，簡稱HEPS）

從空中俯瞰，HEPS主體建筑群宛如一個巨大的“放大鏡”，靜臥于雁棲湖畔的青山綠水之間。這枚占地976畝、周長超過1360米的“科學(xué)放大鏡”，宏偉的“鏡框”環(huán)抱著加速器隧道。

2024年10月12日，經(jīng)過5年多的建設(shè)，這座被譽為“超大號X光機”的裝置成功發(fā)出了“第一束光”，標(biāo)志著我國在同步輻射光源領(lǐng)域邁出了重要一步。

這項工程不僅是中國科學(xué)家智慧與毅力的結(jié)晶，更是全球高能同步輻射領(lǐng)域的重大突破。HEPS產(chǎn)生的光比太陽還要亮一萬億倍，堪稱世界上最亮的“X光機”。

它將幫助人類“看清”微觀世界中的每一個細(xì)節(jié)：從航天材料的微裂紋，到蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)，再到腦神經(jīng)元活動軌跡，并為航空航天、生物醫(yī)藥、能源環(huán)境等前沿領(lǐng)域提供強有力的支撐。

它不僅是北京懷柔綜合性國家科學(xué)城的核心地標(biāo)，更是我國“十三五”期間優(yōu)先布局、攻堅克難建成的“大國重器”。自2019年6月破土動工，歷經(jīng)5年多的緊張建設(shè)，HEPS終于成功點亮，即將為揭示物質(zhì)最深層的奧秘、驅(qū)動前沿科技創(chuàng)新，發(fā)出屬于中國的、最耀眼的科學(xué)之光。

置身懷柔科學(xué)城，HEPS以其獨特而富有深意的建筑造型成為最引人注目的科學(xué)地標(biāo)。

整個園區(qū)由三棟主體建筑構(gòu)成，整體設(shè)計巧妙地呈現(xiàn)為一個巨大的“放大鏡”形態(tài)。其“鏡框”部分是一個周長1360多米的巨型環(huán)形建筑，內(nèi)部容納著光源的核心裝置——電子儲存環(huán)；“手柄”位置則是綜合實驗樓和用戶服務(wù)樓，為未來的科研用戶提供支持。

據(jù)介紹，整個項目占地達(dá)976畝，相當(dāng)于90個標(biāo)準(zhǔn)足球場大小。在實驗大廳內(nèi)部，為了應(yīng)對如此龐大的空間，工作人員甚至需要騎行自行車穿梭以提高效率，足見其規(guī)模之宏大。

值得注意的是，HEPS的建設(shè)堪稱一場科技“馬拉松”——自2019年6月啟動以來，2000余名建設(shè)者歷經(jīng)5年攻堅，攻克了加速器精密調(diào)控、超高真空環(huán)境維持等數(shù)百項技術(shù)難題。2023年3月直線加速器滿能量出束，2024年7月儲存環(huán)全環(huán)貫通，直至2024年10月“第一束光”誕生，每一步都刷新著中國同步輻射光源的新高度。

作為第四代光源的代表，HEPS的“高能”屬性令人驚嘆。其電子束能量達(dá)6GeV，亮度是醫(yī)用X光機的十萬億倍。

有專家說，若將傳統(tǒng)光源比作手電筒，HEPS則相當(dāng)于一盞“探照燈”——它能穿透厘米級金屬，捕捉納米級結(jié)構(gòu)的動態(tài)演變。這種能力使其成為研究催化劑反應(yīng)、蛋白質(zhì)折疊、航空材料疲勞損傷等復(fù)雜問題的理想工具。

與其他大科學(xué)裝置互補，HEPS的布局彰顯戰(zhàn)略深意。HEPS的建成，將我國同步輻射光源研究能力從第一代（北京同步輻射裝置）、第二代（合肥光源）、第三代（上海光源），一舉推進到國際最前沿的第四代，填補了從原子尺度到宏觀工程材料的全鏈條研究空白。

自2019年6月啟動建設(shè)以來，HEPS項目不斷取得階段性成果。

2021年6月28日，第一臺科研設(shè)備安裝；2023年3月14日，直線加速器滿能量出束；2024年7月1日，儲存環(huán)全環(huán)貫通進入聯(lián)調(diào)階段。

2024年10月12日21時30分，HEPS實驗大廳氣氛凝重。HEPS常務(wù)副總指揮董宇輝團隊將一張橙色膠片裝入成像站，關(guān)閉防輻射門后按下按鈕。

當(dāng)光閘開啟的剎那，一束肉眼不可見的“能量之箭”穿透樣品，膠片上逐漸浮現(xiàn)出邊緣銳利的黑斑——這正是HEPS的“第一束光”留下的印記。

董宇輝也在上面記錄了此珍貴的時刻：高能同步輻射光源發(fā)出“第一束光”“2024.10.12 21:30”“曝光0.1s（秒）”

據(jù)專家介紹，由于裝置發(fā)出的光不是可見光，人眼無法直觀感受到它的存在。同步輻射光源不是像電燈、蠟燭那樣發(fā)出的一種簡單的光，它是不能直接被看到的X光。HEPS就像一個超級放大鏡一樣能將微觀物質(zhì)看得很清楚，相當(dāng)于一個巨型X光機，可以檢測到航天材料在加工和服役過程中有沒有裂痕，也可以看到細(xì)胞分子結(jié)構(gòu)。

“第一束光”的實驗數(shù)據(jù)令人振奮。團隊用它對預(yù)制裂紋的不銹鋼板成像，發(fā)現(xiàn)可檢測到的微裂紋數(shù)量比傳統(tǒng)光源增加數(shù)倍，分辨率達(dá)到30納米——相當(dāng)于看清一根頭發(fā)絲直徑的萬分之一。這一突破意味著，未來航天器發(fā)動機的葉片裂紋、鋰電池材料的結(jié)構(gòu)演化都將無所遁形。

潘衛(wèi)民總指揮用“手電筒與探照燈”比喻光源迭代：“太陽照在身上只能感知溫暖，但X光能透視骨骼。HEPS不僅是亮度的飛躍，更是研究范式的革新?！?/p>

HEPS的“超能力”正在轉(zhuǎn)化為實實在在的科研突破。

據(jù)介紹，首期建設(shè)的14條光束線站中，硬X射線成像線站（HXI）堪稱“明星”。它能實現(xiàn)強穿透性與高靈敏度的統(tǒng)一，為航空發(fā)動機渦輪葉片做“CT掃描”，實時觀測材料在高溫高壓下的損傷過程。

在生命科學(xué)領(lǐng)域，HEPS與多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學(xué)成像設(shè)施形成“雙璧”。通過整合冷凍電鏡、原子力顯微鏡等技術(shù)，構(gòu)建從分子到人體的全景式成像體系。2025年3月，該設(shè)施發(fā)布的十大成果中，微型雙光子顯微鏡僅重2.2克，卻能讓實驗鼠佩戴著“跑”起來，記錄自由活動中的神經(jīng)元活動；全人體PET-CT則實現(xiàn)了腫瘤早期微小病灶的精準(zhǔn)定位。

兩者的結(jié)合，正催生全新的研究模式。例如，科學(xué)家利用HEPS解析病毒蛋白結(jié)構(gòu)，再用多模態(tài)成像設(shè)施追蹤其在活體細(xì)胞內(nèi)的復(fù)制路徑，為新藥研發(fā)提供“原子級”靶點。這種跨尺度、多模態(tài)的研究范式，或?qū)⒓铀侔┌Y、阿爾茨海默病等疑難疾病的攻克。

更深遠(yuǎn)的影響在于產(chǎn)業(yè)變革。航天領(lǐng)域，HEPS可模擬太空極端環(huán)境對材料的影響，助力國產(chǎn)大飛機發(fā)動機葉片研發(fā)；能源領(lǐng)域，它能優(yōu)化光伏電池晶格結(jié)構(gòu)，提升光電轉(zhuǎn)化效率；環(huán)保領(lǐng)域，通過解析催化劑表面反應(yīng)機制，為碳捕捉技術(shù)開辟新路徑。

HEPS的崛起，僅是懷柔科學(xué)城建設(shè)的縮影。

這片100.9平方公里的土地上，37個大科學(xué)裝置正構(gòu)成全球領(lǐng)先的“科研矩陣”。地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置可復(fù)現(xiàn)全球氣候變化，綜合極端條件實驗裝置能創(chuàng)造接近絕對零度的極端環(huán)境……

這些“國之重器”協(xié)同發(fā)力，使我國在物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)從“跟跑”到“領(lǐng)跑”的跨越。

科學(xué)城的“磁吸效應(yīng)”正在顯現(xiàn)。這里集聚了78位兩院院士、19名諾獎得主，每年產(chǎn)出重大科技成果300余項。2023年，懷柔科學(xué)城斬獲國家科學(xué)技術(shù)獎13項，其中國家自然科學(xué)一等獎首次花落于此。

“我們不僅要做‘科學(xué)燈塔’，更要成為‘創(chuàng)新生態(tài)池’?！睉讶峥茖W(xué)城管委會有關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，多模態(tài)成像設(shè)施已與法國居里研究所共建國際聯(lián)盟，HEPS的測試機時向中小企業(yè)開放，甚至催生了國產(chǎn)高端X射線源的產(chǎn)業(yè)化突破。

來源：激光制造網(wǎng) 編輯：十一郎