这只年底睁开的超级眼睛为何是我国科技自立自强的利器

本文来自：心智观察所，作者：心智观察所，题图来自：视觉中国2025年10月29日，在北京怀柔科学城，国家重大科技基础设施建设项目——高能同步辐射光源（HEPS）顺利通过了工艺验收，这座世界上设计亮度最高的第四代同步辐射光源，如同我国探索微观世界的“巨型X光机”和“大国重器”，预计将在今年年底正式开启试运行。从空中俯瞰，这座宏大的装置形似一个超级放大镜，其建成标志着我国同步辐射光源实现了代际跨越，将为解决国家重大需求和前沿科学问题提供强大的技术支撑。照亮微观世界的“巨型X光机”要理解HEPS的强大，必须首先明确它所发出的光线及其特性。HEPS发出的光是肉眼看不见的X光，即X射线，它是一种波长极短的电磁波，波长介于0.01到100埃之间。由于物质微观结构中原子和分子之间的距离，大约在1到10埃的范围，恰好落在了X射线的波长内，因此，X射线通过与物质发生散射、衍射和吸收等作用，能够传递极其丰富的微观结构信息，使其成为探测物质微观结构的理想探针。HEPS的巨型X光机能让科学家们比以往任何时候都更细致地观察物质的微观世界。HEPS产生X光的方式被称为“同步辐射”，其原理可以形象地理解为雨中转动的雨伞：接近光速运动的带电粒子（在HEPS中是电子）在磁场中做曲线运动时，会沿着弯转轨道的切线方向，像水珠飞出一样，发射出连续的电磁辐射。这种现象最初是在1947年于电子同步加速器上被意外观测到的。HEPS的“高能”特性意味着其电子束流能量高达6 GeV，这是我国第一台高能量同步辐射光源。高能量使得HEPS能够提供能量高达300 keV（千电子伏特）的硬X射线，这种射线穿透能力极强，可以深入大块样品内部进行高分辨探测，对于分析航空发动机叶片、探察工件内部的缺陷，以及开展极端条件实验等国家重大需求研究至关重要。HEPS最引人注目的性能指标是它的亮度。亮度是衡量光源品质的最关键参数，HEPS的光比普通X光机亮10万亿倍，比太阳的亮度高1万亿倍。作为第四代同步辐射光源，它的X射线亮度比第三代光源还要高出100到1000倍。更高的亮度意味着更高的信噪比、更高的探测精度以及更快的实验效率。此外，同步辐射光还拥有宽波段连续可调、方向性极强的高准直性、高偏振性以及脉冲结构等优异性能，特别是脉冲结构，对于研究化学反应过程、生命过程等“变化过程”非常有用。跨越代际的“三级火箭”与技术飞跃HEPS是我国和亚洲建设的首个第四代同步辐射光源项目。这座大科学装置的工作原理是通过“加速电子，生产光”。整个加速器系统由三台独立的加速器构成，犹如一枚“三级火箭”。首先，电子枪产生的高品质电子束，经过长约49米的直线加速器加速到0.5 GeV。这台“一级发动机”已于今年6月通过了工艺验收。随后，电子束被注入周长450多米的环形增强器，进一步将能量提高到额定的6 GeV，增强器也已通过了工艺验收。最后，6 GeV的电子束团被注入周长约1360米的储存环，这座环形建筑占地面积可以容纳20个足球场。电子束以接近光速的速度在储存环内回旋运行，在通过弯转磁铁或像“芒果”型扭摆器等插入件时，沿切线方向释放出稳定且高能量、高亮度的同步辐射光。第四代同步辐射光源的核心技术突破在于实现了极低的电子发射度。发射度是衡量电子束流品质的关键参数，发射度越小，光束的横向分散程度越小，光束品质就越好，亮度也就越高。HEPS储存环的设计发射度约为35 pm·rad，在国际同类已建及在建光源中，是自然发射度指标最高的储存环设计方案之一。为了达到这一超低发射度目标，HEPS在国际通用的多弯铁消色散（MBA）结构基础上进行了创新，融合了包括纵向梯度二极铁等新型单元节在内的多项设计。在性能工艺测试中，HEPS加速器的各项指标都达到了甚至优于验收指标，例如储存环的束流能量实测为6.01 GeV，水平自然发射度为0.0568 nm·rad。HEPS的精密性也体现在其极高的稳定性上，例如在今年9月的一次调束过程中，HEPS完整而清晰地记录了堪察加东岸附近海域发生的7.8级地震所导致的地面波动，轨道异常波动峰值达到了约330微米，这充分展示了其超高的束流品质和卓越的灵敏度。自主攻关：十年磨一剑的X光探测之眼尽管我国在加速器技术上已达到世界一流水平，能够产生高品质的X光，但在X光探测这一关键领域，特别是高端科学仪器方面，长期以来一直受制于国外的垄断。这种垄断不仅造成仪器价格高昂，推高了装置的建设成本，更重要的是，它限制了科学家对定制化仪器的需求，使得光源的全部性能无法得到完全发挥。因此，为了实现原始创新，国内科研团队决定从零开始，攻克自己的X射线探测器技术。传统上探测X射线的方法，例如医院胸透所用的技术，是通过闪烁体材料将X光转换为可见光，再由可见光相机拍摄，这个过程中会损失精度。科研人员的目标是实现更高效的“直接探测”，让X光直接转换为电信号进行处理。直接探测面临两大难点：一是X光的能量高，穿透性强，对多数材料而言如同“透明”。解决之道是利用高密度半导体材料，并在其中施加强大的电场，如同一堵厚厚的墙配上电网，使得X光插翅难逃。二是X射线难以被看清，即难以精确定位。这通过将探测材料划分成大量能独立工作的细密小单元，即像素，来精确记录X光被捕捉的位置信息，最终组合成清晰的图像。探测器从结构上可以分为三个关键部分。传感器充当“眼睛”，负责感光和精确探测，其制造工艺要求极高洁净度。专用集成电路芯片作为“大脑”，处理转换来的电信号，其设计需要将复杂的功能集成到极小的像素单元内。设计中需要像进行精密外科手术一样处理微弱信号，同时还要高速搬运数据，避免相互干扰。这款芯片采用了国内CMOS 130纳米集成电路工艺。连接传感器和芯片的是“神经”，采用了先进的倒装焊技术。这项工艺使用比头发丝还细的金属小球阵列将两者精密封装在一起，其密度极高，对加工精度提出了严格要求，直接决定了探测器的可靠性。这项长达十年的研发工作，始于国内技术基础基本空白的困境，面临着巨大的技术和心理压力。但正是这种对打破“卡脖子”现状的不懈追求，促使团队解决了传感器、读出芯片和倒装焊这三大关键技术难关。虽然后续将模块整合成可用的整机耗费了大量时间解决琐碎的工程问题，但最终研发出的第三代样机性能已完全可以对标甚至超越国际主流产品，实现了国产化替代。这些系统具备超高的动态范围，最亮与最暗点的亮度差别可超过100万倍，并且具有每秒超过1000张的高速成像能力，远远超过了之前的国际主流产品。未来HEPS建成后，将有大批自主设计的探测器投入线站使用，最大版本的像素可达到600万。超越极限的探索视野与科学愿景HEPS作为理想的多学科交叉研究平台，其卓越性能将为我国基础科学和工业创新领域的原创性、突破性研究提供重要支撑。它能够提供纳米级别的空间分辨、皮秒级别的时间分辨和毫电子伏级别的能量分辨的同步光。在生命科学领域，迄今为止，世界上约70%的已知生物大分子结构，如蛋白质、病毒等，都是借助同步辐射光解析的。我国科研人员曾借助第三代光源率先解析新冠病毒关键蛋白的高分辨结构。HEPS将支持更前沿的研究，包括灵长类脑成像及神经网络连接的三维成像解析。HEPS的高清成像技术也有潜力推广到医学成像等应用领域，例如观察药物如何与靶点作用，以辅助开发抗肿瘤药物。在工程和材料创新方面，HEPS的“超级眼睛”能够解决工业生产中的实际问题。高能X射线穿透力强，使得高能射线衍射实验能深入大块样品内部，分析工件内部的晶粒、缺陷等关键结构信息，这对于航空航天领域的材料研究（如探察航空工程材料的微结构缺陷）至关重要。它还可以通过原子级别逐个探测芯片表面，为破解芯片“卡脖子”难题提供支撑。此外，HEPS还能帮助研究人员观察锂离子在电池中的移动过程，从而找到提高电池容量和寿命的方法。同步辐射光源的应用充满了趣味性。例如，科学家利用欧洲同步辐射光源（ESRF）的X射线粉末衍射技术，成功确定了可可脂关键成分的晶体结构，构建了能实现入口即化的结晶V的结构模型。这项研究直接促进了新专利的诞生，有助于克服巧克力表面形成“反霜”的问题，从而提升巧克力的口感。另一个例子是，研究人员利用美国阿贡国家实验室的先进光子源（APS），通过相位衬度成像技术，观察活体蚊子吸食液体，并发现了蚊子吮吸的两种模式，包括前所未见的“爆发模式”，该模式的流量比连续模式高出27倍，其发现为微流控医疗装置的研发提供了新思路。铸就国之重器：HEPS的里程碑与深远影响HEPS作为《国家重大科技基础设施建设“十三五”规划》优先布局的项目之一，于2019年6月在北京怀柔科学城开工建设。工程技术人员仅用了三年多的时间就完成了土建部分的建设。在安装过程中，储存环的1776台磁铁安装精度误差小于50微米，再次创造了中国奇迹。整个建设过程有力地提升了我国在精密机械、光学、探测器等技术领域的设计和制造能力。工艺验收专家组一致认为，HEPS项目完成了批复的相关建设内容和任务，综合性能达到国际同类装置的领先水平。加速器和光束线站的关键指标均已通过或优于验收指标，例如硬X射线纳米探针线站的光斑尺寸已达到12.5纳米。目前，HEPS已建设有首批14条用户光束线站和1条测试线站。工程总指挥潘卫民研究员表示，HEPS预计将在今年底开启试运行，并在明年6月国家验收完毕后正式投入运行。HEPS是建设科技强国、实现高水平科技自立自强的利器。它的价值不仅在于实现了我国同步辐射光源的代际跨越，更在于其对科研成本的巨大节省和对产业的推动作用。以自主研发的探测器系统为例，每台可节省数百万元人民币，未来90多条线站的建设将节省数亿元的科研成本，这些资金可以投入到更先进的前沿探索中。同时，通过十年积累，团队具备了整体系统开发能力，能够根据科学家的需求定制全新的探测器系统，确保与光源的共同升级。这座世界上设计亮度最高的第四代同步辐射光源，将为我国在能源、环境、生物医学、新材料等基础和应用领域的研究提供强大的技术支撑，持续推动科技创新与产业创新深度融合。本文来自：心智观察所，作者：心智观察所