光明日报 2021-07-09 作者：董宇辉 苑梦尧
从空中俯瞰，位于北京怀柔科学城的高能同步辐射光源（HEPS）整体建筑形似一个放大镜，寓意为探测微观世界的利器。HEPS是国家“十三五”重大科技基础设施，由国家发展改革委立项支持、中国科学院高能物理研究所承担建设。它是我国第一台高能量同步辐射光源，也是世界上亮度最高的第四代同步辐射光源之一。日前，HEPS成功安装了首台科研设备，为其提供技术研发与测试支撑能力的先进光源技术研发与测试平台（PAPS）同期转入试运行。这意味着，HEPS将逐渐转入科研设备安装和调试阶段，建成后，将为基础科学和工程科学等领域原创性、突破性创新研究提供重要支撑平台。
强大的物质结构探针
X射线作为探测物质结构的探针，其光源亮度是最为关键的指标——更高的亮度意味着可以在空间、能量、时间等维度上获得更好的分辨能力和更高的实验效率，也就是说，能将物质内部的微观结构“看”得更清楚。因此，获得更高亮度的X射线源一直是科学技术人员孜孜不倦追求的目标。由伦琴发现X射线所使用的装置发展起来的固定靶、转靶X光机，已经为X射线的应用立下了汗马功劳，如今仍在实验室中使用。但是，这类仪器的亮度有一个无法逾越的“天花板”。
同可见光和X光一样，同步辐射光本质上也是一种电磁辐射。根据电动力学定理，自由电子在做变速运动时，将产生电磁辐射，包括：电子运动速率发生变化时，在运动前向产生的轫致辐射；电子运动方向发生改变时，在运动切线方向产生的同步辐射。同步辐射就是由以接近光速运动的电子在磁场中做曲线运动时所产生的电磁辐射。由于这种辐射是1947年在电子同步加速器上观测到的，因而被命名为“同步辐射”。
与常规X射线相比，同步辐射光源产生的同步辐射光具有独特的优点：频谱宽，同步辐射光波长连续可调，覆盖红外、可见光、紫外和X射线波段，可根据需要，利用单色器选取不同波长的光，进行单色光实验；加速器中的电子分布不是连续的，而是一团一团的电子束在做回旋运动，因此，产生的同步辐射也是脉冲的，具有时间分辨；同步辐射的发散角小，光线几乎是平行的，因此，其利用率和分辨率均大幅提高；亮度大，与常规X光机产生的X光相比，同步辐射光的亮度高出约4-14个量级，可用于高分辨的实验。
回顾科学发展历史，同步辐射光源对科学技术发展的广度和深度有不可比拟的影响，已经成为科学研究最为有力的支撑平台之一。所有的电磁波探针实验技术，从红外、可见光、真空紫外、软X射线直到硬X射线的波段，同步辐射装置都可以为实验提供高性能的光源。研究者可以通过使用各类与同步辐射相关的技术手段，探测样品的原子、电子、声子、磁性等结构，并且可以在各种外加条件（如高/低温、高压、强磁场、强电场、腐蚀性环境）下进行实验，不仅可以探测体相的结构，也可以探测表面、界面的结构细节。由于同步辐射具有很高的光亮度和光通量，在同步辐射上进行的实验可以达到实验室光源无法企及的效率和精度，并且有大量的实验手段只有在同步辐射研究设施里才可能实现。迄今为止，在同步辐射上开展的研究已经获得了5次诺贝尔奖。
除了在基础科学研究领域，同步辐射还在工业应用中发挥重要作用。现今的工业已经不再是单纯依靠产能或是数量取胜的时代，科技创新是引领工业发展的引擎。同步辐射装置所涉及的综合性的强大实验、研究能力，可以把多种学科、不同的实验方法汇集在一起，针对工业应用中的多种问题开展多方面的研究，形成工业创新的源头。在世界上几个大型同步辐射装置中，来自工业研发部门的用户大致占用户比例的7%～9%，并有逐年增加的趋势，有一些企业甚至在光源里中建有自己专用的线站。
这种强大的支撑能力，使得世界各国都先后加大对同步辐射研究设施的建设投入，使同步辐射成为世界上数目最多的大科学装置。同时，伴随着基础科学、国家需求的不断发展和时间的推移，新建的同步辐射装置性能也逐渐提高。
四代发展史，更高更强的追求
同步辐射光源自1947年诞生以来，随着研究深度及范围的扩展，经历了四代发展阶段：
第一代同步辐射光源寄生于用于高能物理实验的对撞机，由于同步辐射实验的要求与高能物理实验的要求并不一致，因此，第一代同步辐射光源应用于同步辐射研究的性能和时间都受到限制。
第二代同步辐射光源的储存环是为同步辐射研究专门建立的，使用了少量的插入件，加速器的设计也是以优化同步辐射光性能为基础。
第三代同步辐射光源是基于发射性能更高的同步辐射光设计的。除了利用弯铁外，第三代同步辐射装置还注重在更多的直线段中安装周期性磁场的磁铁部件（这些部件称为插入件），以得到性能更好的同步辐射光。
第四代同步辐射光源则是极低发射度的储存环光源。随着瑞典的MAX IV等低发射度储存环光源的成功，这一技术逐渐被公认为环形同步辐射光源的发展方向。采用新的加速器结构获得极低发射度，在束线设计中考虑X射线的相干性，是第四代同步辐射光源的特点，其更加优异的亮度和相干性，也使得系列全新的实验方法得以实现。
迄今，世界上有50多台同步辐射光源运行在23个国家和地区。于20世纪90年代相继建成的欧洲同步辐射装置ESRF、美国先进光子源APS和日本超级光子环SPring-8等第三代同步辐射光源，其电子发射度在3nm·rad左右，目前仍是同步辐射设施的主力，显示出了这类大型装置的长久生命力。
同时，新的装置还在不断建设中，目前同步辐射装置是数量最多、支撑学科范围最广的大科学实验设施。上文提到的第四代同步辐射光源——瑞典MAX IV光源使用新的加速器设计，即多弯转磁铁消色散（MBA，目前主流的设计为7弯铁结构，即7BA）的光源正逐步成为未来同步辐射光源建设的潮流，这种MBA结构的设计，可以使储存环的电子发射度降低到0.1nm·rad以下，比早期的第三代光源的亮度至少提高2个数量级。这个长足的进步可以使同步辐射的相干性变好，保证实验的分辨能大幅度提升，可以促使一大批新兴的实验技术开展，带来各个学科领域研究的新机遇。
我国大陆和台湾地区现有5台同步辐射装置：北京同步辐射装置（BSRF）、合肥同步辐射光源（HLS）、上海光源（SSRF）、台湾光源（TLS）、台湾光子源（TPS），都处于中、低能区，光谱亮度在大于40keV能量的硬X射线波段与国际上的先进高能光源存在着明显的差距。…
