有一束“光”，照亮過去和未來

劃重點：

• 1最初的同步輻射光源是“寄生”在粒子對撞機上的，是在現有粒子加速器的基礎上開展同步輻射研究，這是我們說的第一代的同步輻射光源；
• 2第二代光源是專用同步輻射光源，不再依賴于粒子對撞機以及粒子實體的研究；
• 3第三代光源是使用了大量的插入件，這提高了同步輻射的性能。目前，同步輻射光源已經發展到了第四代；
• 4第四代光源基于衍射極限儲存環技術，電子束發射度比上一代降低1-2個數量級，接近甚至達到X射線的衍射極限發射度，而平均亮度則更高。

3月18日報道，近日，“十三五”國家重大科技基礎設施高能同步輻射光源（HEPS）直線加速器滿能量出束，成功加速第一束電子束，HEPS進入科研裝置安裝、調束并行階段。HEPS直線加速器是一台常溫直線加速器，長約49米，用于産生電子，并将電子加速到500MeV，是電子的源頭和第一級加速器，由端頭的電子槍、聚束單元、加速結構、微波功率源等裝置構成。

同步輻射從最初被發現到現在已經有70多年的曆史了，從最初被“厭惡”，到現在被“追捧”，人們對同步輻射的态度也發生了巨大的轉變。最初的同步輻射光源是“寄生”在粒子對撞機上的，是在現有粒子加速器的基礎上開展同步輻射研究，這是我們說的第一代的同步輻射光源。第二代光源是專用同步輻射光源，不再依賴于粒子對撞機以及粒子實體的研究。第三代光源是使用了大量的插入件，這提高了同步輻射的性能。目前，同步輻射光源已經發展到了第四代。

中國同步輻射也經曆了四代的發展。彼時，1977年，同步輻射裝置的建造被列入全國科學技術發展規劃；此時，2023年3月14日，“十三五”國家重大科技基礎設施、中國的第四代同步輻射光源——高能同步輻射光源（HEPS）直線加速器滿能量出束，成功加速第一束電子束，這是HEPS裝置建設的又一重要裡程碑，也是中國同步輻射發展曆程中的一個重要裡程碑。本期就來說說中國同步輻射光源的發展曆程。

HEPS直線加速器隧道内（圖檔來源：中國科學院高能實體研究所）

第一代：北京同步輻射裝置——“寄生”在北京正負電子對撞機上的光源

1972年8月，張文裕等18位科技工作者給周恩來總理寫信，反映對發展中國高能實體研究的意見和希望。1972年9月11日，周恩來總理在複信中訓示：“這件事不能再延遲了…高能實體研究和高能加速器的預制研究、應該成為科學院要抓的主要項目之一。”1988年10月，北京正負電子對撞機在中國科學院高能實體所建成。三年後，也就是1991年，北京同步輻射裝置（Beijing Synchrotron Radiation Facility，BSRF）也建立起來。同步輻射從多個點上，沿着切線方向被引出來，相應的實驗室也圍繞加速器建立起來。

周總理回信（圖檔來源：中國科學院高能實體研究所）

在建成之初，北京同步輻射裝置就對使用者開放，研究内容涉及材料科學、凝聚态實體、化學、化工、生命科學、醫學、地礦、資源、環境科學、微電子和微機械技術等不同的學科和領域，運作30多年以來，已經産出了許多重要的科研成果。最重要的成果之一是，2003年開春“非典”（SARS）在全國迅速擴散，研究抗SARS病毒的藥物迫在眉睫，2003年6月，清華大學饒子和教授上司的課題組，在2002年底建成的國内第一條蛋白質晶體結構研究光束線和實驗站，破解出SARS 冠狀病毒主蛋白酶的晶體結構，随後利用同步輻射實驗得到了有效的藥物靶分子，為研制治療SARS 病毒的藥物提供了重要資訊。

作為大陸第一個建成并投入使用的大型同步輻射裝置，北京同步輻射裝置到現在已經成功運作30多年了，雖然是第一代同步輻射光源，但經過不斷地改進和更新，其性能已經接近第二代同步輻射光源。如今，這台“落後”的光源依然在不斷地産出成果，可謂是老當益壯！

北京同步輻射裝置光束線和試驗站示意圖。

第二代：合肥同步輻射光源——專門為同步輻射的應用而設計

第一代同步輻射光源的主要缺點是其“寄生”在粒子加速器上，而粒子加速器的主要任務是要進行高能實體實驗，不能按同步輻射的要求進行運轉，實際能夠進行實驗的機時受很大限制。是以北京同步輻射裝置一年隻有3個月左右的用光時間，遠不能滿足科研的需求。這時，中國的第二代同步光源——合肥同步輻射光源，就是專門為同步輻射的應用而設計的。

實際上，合肥同步輻射光源跟北京同步輻射光源基本上是同時建設的，于1989年建成出光，這也是大陸第一台自主建設的專用同步輻射光源，其優勢能區為真空紫外和軟X射線波段，電子束流能量最高到0.8GeV，自然發射度小于40nm•rad（雖然我們希望所有的電子都在儲存環内相同的軌道上運動，但現實中總會有偏差，真實的電子大多偏離理想軌道，是以電子束團就有一定的大小和發散角度，這二者的成績就被稱為“發射度”，顯然，發射度越小，意味着光線越集中，光源性能越好）。

雖然是第二代光源，但畢竟建設時間比較早，與北京同步輻射裝置一樣，合肥同步輻射光源的性能和提供的機時都遠遠不能滿足科研需求。另外，合肥光源的能量較低，主要進行真空紫外與軟X射線的研究，不能産生硬X射線。

合肥光源同步輻射大廳（圖檔來源：中國科學技術大學國家同步輻射實驗室）

合肥同步輻射光源儲存環一角（圖檔來源：中國科學技術大學國家同步輻射實驗室）

第三代：上海同步輻射光源——低發射度、大量采用插入件的專用光源

到了20世紀90年代，第三代同步輻射光源已經在國際上出現了，這一代光源大量使用了插入件——一系列周期排列的南北極相同的磁鐵組，光源的發射度非常小，數量長期穩定，亮度十分高，而且在偏振與相幹性方面的品質也很優越。

2004年12月，上海同步輻射光源開工建設，2009年開放運作，這是中國大陸第一台中能第三代同步輻射光源（位于中國台灣的第三代光源——台灣光源于1994建成）。上海光源把電子束流的能量提高到了3.5GeV，而發射度則降低到了 4 nm•rad，遠遠低于合肥光源。

上海同步輻射光源（圖檔來源：上海張江先進光源大科學裝置叢集）

除了上海光源，英國的DIAMOND、法國的SOLEIL、西班牙的ALBA、美國的NSLS-II等也都是有代表性的第三代中能同步輻射光源。

2020年初，大陸科研人員借助上海光源率先解析了新冠病毒關鍵蛋白的高分辨結構。

新冠主水解酶蛋白與N3 複合物晶體結構。

第四代：高能同步輻射光源——更亮度的光照亮微觀世界

目前，國際上已經發展到了第四代同步輻射光源，這一代光源基于衍射極限儲存環技術，電子束發射度比上一代降低1-2個數量級，接近甚至達到X射線的衍射極限發射度，而平均亮度則更高。實際上，直到2010年左右，衍射極限儲存環的關鍵實體與技術取得突破，才使得衍射極限儲存環的實作成為可能。巴西的Sirius、歐洲的 ESRF-EBS、美國的APS-U等都屬于第四代光源。

目前正在建設的位于北京懷柔的高能同步輻射光源（High Energy Photon Source，HEPS）就是第四代同步輻射光源。HEPS由國家發展改革委批複立項，中科院高能所承擔建設，為“十三五”國家重大科技基礎設施，2019年年中完成所有前期準備工作，6月29日開工啟動，建設周期約6.5年，預計2025年底竣工驗收。

高能同步輻射光源（HEPS）是一台電子能量為6GeV，發射度小于等于0.6 nm·rad的高性能高能同步輻射光源，其首要目标為提供高能、高亮度的硬X射線，這是為了滿足國家發展戰略相關研究的需求，諸如航空發動機材料、核材料研究必須依靠這種高性能的X射線。同時，也将為工業領域與基礎科學領域提供更好的支撐平台。建成後，這将是将是中國擁有的第一台高能量同步輻射光源，也将是世界上亮度最高的第四代同步輻射光源之一，将和大陸現有的光源形成能區互補，對提升大陸國家發展戰略與前沿基礎科學和高技術領域的原始創新能力具有重大意義。

高能同步輻射光源（效果圖）（圖檔來源：中國科學院高能實體研究所）

2023年3月14日，高能同步輻射光源（HEPS）直線加速器滿能量出束，成功加速第一束電子束，這是高能同步輻射光源的一個重要裡程碑！

除此之外，中國科學技術大學國家同步輻射實驗室提出的合肥先進光源（Hefei Advanced Light Facility，HALF）也是第四代光源，其概念為一台低能區的第四代儲存環光源，預計2027年建成。屆時，合肥先進光源将成為擁有最高亮度的全輻射譜段空間相幹性衍射極限光源。同時，依托合肥先進光源，将擴充建設先進的低能區自由電子雷射裝置以及世界唯一的太赫茲儲存環光源，進而共同構成“合肥先進光源”叢集，成為國際上在低能區最領先的光源中心，面向國内外科學家開放，為量子資訊、能源與環境、生命科學等領域前沿研究提供公共平台。

合肥先進光源效果圖（圖檔來源：中國科學技術大學）

從“寄生”在北京正負電子對撞機上的北京同步輻射裝置，到國際領先的高能同步輻射光源，中國在同步光源領域走過了不平凡的30年。作為第一台光源，北京同步輻射裝置仍然還在運作；而作為最新的光源，高能同步輻射光源隻是一個開始。更多的科學發展，讓我們充滿期待！

出品：科普中國

作者：子乾

監制：中國科普博覽