有一束“光”，照亮過去和未來丨同步輻射光源在中國

出品：科普中國

作者：子乾

監(jiān)制：中國科普博覽

一席之地，BEPC艱辛創(chuàng)業(yè)路

四代同堂，HEPS續(xù)寫新輝煌

同步輻射從最初被發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在已經(jīng)有70多年的歷史了，從最初被“厭惡”，到現(xiàn)在被“追捧”，人們對同步輻射的態(tài)度也發(fā)生了巨大的轉(zhuǎn)變。最初的同步輻射光源是“寄生”在粒子對撞機上的，是在現(xiàn)有粒子加速器的基礎(chǔ)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物理的研究。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(jīng)發(fā)展到了第四代。

中國同步輻射也經(jīng)歷了四代的發(fā)展。彼時，1977年，同步輻射裝置的建造被列入全國科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃；此時，2023年3月14日，“十三五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)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(shè)的又一重要里程碑，也是中國同步輻射發(fā)展歷程中的一個重要里程碑。本期就來說說中國同步輻射光源的發(fā)展歷程。

HEPS直線加速器隧道內(nèi)

（圖片來源：中國科學(xué)院高能物理研究所）

第一代：北京同步輻射裝置——“寄生”在北京正負(fù)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(fā)展中國高能物理研究的意見和希望。1972年9月11日，周恩來總理在復(fù)信中指示：“這件事不能再延遲了…高能物理研究和高能加速器的預(yù)制研究、應(yīng)該成為科學(xué)院要抓的主要項目之一?！?988年10月，北京正負(fù)電子對撞機在中國科學(xué)院高能物理所建成。三年后，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，沿著切線方向被引出來，相應(yīng)的實驗室也圍繞加速器建立起來。

周總理回信

（圖片來源：中國科學(xué)院高能物理研究所）

在建成之初，北京同步輻射裝置就對用戶開放，研究內(nèi)容涉及材料科學(xué)、凝聚態(tài)物理、化學(xué)、化工、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、地礦、資源、環(huán)境科學(xué)、微電子和微機械技術(shù)等不同的學(xué)科和領(lǐng)域，運行30多年以來，已經(jīng)產(chǎn)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(xué)饒子和教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組，在2002年底建成的國內(nèi)第一條蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，隨后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信息。

作為我國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(xiàn)在已經(jīng)成功運行30多年了，雖然是第一代同步輻射光源，但經(jīng)過不斷地改進和升級，其性能已經(jīng)接近第二代同步輻射光源。如今，這臺“落后”的光源依然在不斷地產(chǎn)出成果，可謂是老當(dāng)益壯！

北京同步輻射裝置光束線和試驗站示意圖

（圖片來源：http://bsrf.ihep.cas.cn/keyanchengguo/nianbao/201507/P020150713624664899951.pdf）

第二代：合肥同步輻射光源——專門為同步輻射的應(yīng)用而設(shè)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(wù)是要進行高能物理實驗，不能按同步輻射的要求進行運轉(zhuǎn)，實際能夠進行實驗的機時受很大限制。所以北京同步輻射裝置一年只有3個月左右的用光時間，遠(yuǎn)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(yīng)用而設(shè)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(shè)的，于1989年建成出光，這也是我國第一臺自主建設(shè)的專用同步輻射光源，其優(yōu)勢能區(qū)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(fā)射度小于40nm?rad（雖然我們希望所有的電子都在儲存環(huán)內(nèi)相同的軌道上運動，但現(xiàn)實中總會有偏差，真實的電子大多偏離理想軌道，因此電子束團就有一定的大小和發(fā)散角度，這二者的乘積就被稱為“發(fā)射度”，顯然，發(fā)射度越小，意味著光線越集中，光源性能越好）。

雖然是第二代光源，但畢竟建設(shè)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(yuǎn)遠(yuǎn)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，不能產(chǎn)生硬X射線。

合肥光源同步輻射大廳

（圖片來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實驗室）

合肥同步輻射光源儲存環(huán)一角

（圖片來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實驗室）

第三代：上海同步輻射光源——低發(fā)射度、大量采用插入件的專用光源

到了20世紀(jì)90年代，第三代同步輻射光源已經(jīng)在國際上出現(xiàn)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(fā)射度非常小，數(shù)量長期穩(wěn)定，亮度十分高，而且在偏振與相干性方面的品質(zhì)也很優(yōu)越。

2004年12月，上海同步輻射光源開工建設(shè)，2009年開放運行，這是中國大陸第一臺中能第三代同步輻射光源（位于中國臺灣的第三代光源——臺灣光源于1994建成）。上海光源把電子束流的能量提高到了3.5GeV，而發(fā)射度則降低到了 4 nm?rad，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于合肥光源。

上海同步輻射光源

（圖片來源：上海張江先進光源大科學(xué)裝置集群）

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，我國科研人員借助上海光源率先解析了新冠病毒關(guān)鍵蛋白的高分辨結(jié)構(gòu)。

新冠主水解酶蛋白與N3 復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)

（圖片來源：現(xiàn)代物理知識雜志 https://www.ccnta.cn/article/8242.html）

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(jīng)發(fā)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(huán)技術(shù)，電子束發(fā)射度比上一代降低1-2個數(shù)量級，接近甚至達(dá)到X射線的衍射極限發(fā)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(huán)的關(guān)鍵物理與技術(shù)取得突破，才使得衍射極限儲存環(huán)的實現(xiàn)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(shè)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(fā)展改革委批復(fù)立項，中科院高能所承擔(dān)建設(shè)，為“十三五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，2019年年中完成所有前期準(zhǔn)備工作，6月29日開工啟動，建設(shè)周期約6.5年，預(yù)計2025年底竣工驗收。

高能同步輻射光源（HEPS）是一臺電子能量為6GeV，發(fā)射度小于等于0.06 nm·rad的高性能高能同步輻射光源，其首要目標(biāo)為提供高能、高亮度的硬X射線，這是為了滿足國家發(fā)展戰(zhàn)略相關(guān)研究的需求，諸如航空發(fā)動機材料、核材料研究必須依靠這種高性能的X射線。同時，也將為工業(yè)領(lǐng)域與基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域提供更好的支撐平臺。建成后，這將是將是中國擁有的第一臺高能量同步輻射光源，也將是世界上亮度最高的第四代同步輻射光源之一，將和我國現(xiàn)有的光源形成能區(qū)互補，對提升我國國家發(fā)展戰(zhàn)略與前沿基礎(chǔ)科學(xué)和高技術(shù)領(lǐng)域的原始創(chuàng)新能力具有重大意義。

高能同步輻射光源（效果圖）

（圖片來源：中國科學(xué)院高能物理研究所）

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里程碑！

除此之外，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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，其概念為一臺低能區(qū)的第四代儲存環(huán)光源，預(yù)計2027年建成。屆時，合肥先進光源將成為擁有最高亮度的全輻射譜段空間相干性衍射極限光源。同時，依托合肥先進光源，將擴展建設(shè)先進的低能區(qū)自由電子激光裝置以及世界唯一的太赫茲儲存環(huán)光源，從而共同構(gòu)成“合肥先進光源”集群，成為國際上在低能區(qū)最領(lǐng)先的光源中心，面向國內(nèi)外科學(xué)家開放，為量子信息、能源與環(huán)境、生命科學(xué)等領(lǐng)域前沿研究提供公共平臺。

合肥先進光源效果圖

（圖片來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)）

從“寄生”在北京正負(fù)電子對撞機上的北京同步輻射裝置，到國際領(lǐng)先的高能同步輻射光源，中國在同步光源領(lǐng)域走過了不平凡的30年。作為第一臺光源，北京同步輻射裝置仍然還在運行；而作為最新的光源，高能同步輻射光源只是一個開始。更多的科學(xué)發(fā)展，讓我們充滿期待！