《自然》关注中国建造第四代同步加速器——最亮X射线将助力杰出科研工作

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HEPS全景图。图片来源：中国科学院高能物理研究所

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HEPS正在加紧调试。图片来源：中国科学院高能物理研究所

在距离北京市中心约50公里、位于怀柔的环形高能同步辐射光源（HEPS）内，研究人员正在对数千个部件进行微调。这些部件将产生最明亮的X射线，可实时揭示样本分子和原子结构。

HEPS团队希望今年6月底前完成真空室系统的安装工作，该系统是确保开始调束的不可或缺的重要部分。

5月13日，英国《自然》杂志网站报道了中国即将竣工的HEPS。文章指出，耗资48亿元的HEPS将是亚洲首个此类光源。它使中国成为世界上仅有的几个拥有第四代同步加速器光源的国家之一。HEPS有望于2025年向研究人员开放。

瑞典同步加速器辐射设施MAX IV实验室加速器部门负责人佩德罗·费尔南德斯·塔瓦雷斯认为，HEPS是一个顶尖装置，将助力杰出的科学研究工作。

超高分辨率呈现纳米级样本微观结构

在HEPS周长为1.36公里储存环内，电子将被加速到6000兆电子伏特。这将产生高能或“硬”X射线，使科学家可以在纳米尺度上探测样本。

HEPS团队成员、中国科学院高能物理研究所线站科学家陶冶指出，利用第四代光源高相干特性，研究人员能在数百纳秒或更快时间尺度上完成动力学探测，时间分辨率将是第三代同步加速器的10000倍。

当HEPS于2025年向研究人员开放时，科学家将借助其14条束线发出的X射线，开展生物医学、能源、先进材料和凝聚态物理等学科的实验。HEPS预计可以容纳多达90条束线。陶冶表示，这个环形设施将“影响除数学以外的几乎所有科学领域”。

例如，为了确定蛋白质的原子结构，研究人员需要纯化这些分子，并将其诱导成有序的晶体结构，而X射线可以让这些晶体结构可视化。

塔瓦雷斯解释称，较老的同步加速器几乎不可能研究较小的蛋白质晶体，但HEPS产生的“硬”X射线将足够强大，能对最微小样本进行详细分析。新的同步加速器还将使研究人员快速完成其“前辈”需要几天才能完成的实验。

更亮光束加深对物质性质的理解

目前，世界各地约有70个同步加速器正在建设或运行中，但只有少数属于第四代同步加速器“家族”。这些设施能产生最明亮、最聚焦的光。其中包括瑞典的MAX IV实验室、巴西的同步加速器光源“天狼星”、法国的欧洲同步辐射装置的极端明亮X射线源，以及美国的先进光子源。

中国科学院高能物理研究所物理学家、HEPS工程副总指挥李煜辉表示，HEPS不是在现有设施的基础上建造，而是从头开始建造。

巴西“天狼星”实验室主任哈里·韦斯特法尔表示，像HEPS这样的第四代同步加速器是依靠多弯消色差晶格的磁铁阵列来产生比前一代设施更窄、更亮的X射线束。HEPS将产生世界上最窄的电子束，研究人员能够借此从样本中获得更多的信息。

韦斯特法尔补充道，这种高分辨率成像将极大促进科学家对物质性质的理解以及新材料的开发。