引言：HEPS计划概述
高能光子源（High Energy Photon Source，HEPS）是中国首个第四代同步辐射光源项目，也被称为”高能同步辐射光源”（High Energy Synchrotron Radiation Source）。作为国家”十三五”期间规划建设的重大科技基础设施，HEPS于2017年12月获得国家发改委批复立项，2019年6月在北京怀柔奠基启动建设，预计2025年完成建设并投入使用。该项目经历了初步设计研究（2008-2016年）、测试设施建设（2016-2018年）和主体工程（2019-2025年）等阶段，其核心目标是提供比现有第三代同步辐射光源亮度高100倍以上的同步辐射光，为能源环境、生物医学、先进材料等前沿研究提供技术支撑平台。
HEPS作为第四代同步辐射光源，具有极低的自然发射度（约35pm·rad）和卓越的性能指标：能够提供约300keV的X射线，具备10nm量级空间分辨能力、1meV量级能量分辨能力以及100ps量级时间分辨能力。这些特性使其在微束聚焦和空间相干性方面实现了重大突破，为科学研究提供了前所未有的探测手段。本文华算科技将带领大家认识第四代光源：HEPS如何实现微束聚焦与空间相干性突破。
HEPS实现微束聚焦的技术方案
微束聚焦的基本原理与技术途径
微束聚焦技术是同步辐射光源的核心能力之一，其目标是将X射线光束聚焦到微米甚至纳米尺度的光斑，从而实现高空间分辨率的探测与成像。HEPS采用多种先进的微束聚焦技术，包括菲涅尔波带片（Zoneplate）、Kirkpatrick-Baez (K-B)聚焦镜、多层膜劳厄透镜（MLL）和复合折射率透镜（CRL）等。这些技术能够将聚焦光斑缩小到纳米量级，满足不同科学实验的需求。
HEPS高压光束线站的微束聚焦实践
在HEPS的高压相关线站（HPB线站）设计中，微束聚焦技术得到了具体应用。该线站采用复合折射透镜（CRL）进行顺序聚焦：通过两级CRL（CRL1+CRL2和CRL1+CRL3）的组合使用，成功获得微米级光斑。更为先进的是，采用多层膜K-B聚焦镜（MK-B）可直接获得亚微米聚焦光斑，半高宽可达约150nm。
这种技术方案的成功实施得益于HEPS光源的高亮度和低发射度特性。HEPS的自然发射度仅为约35pm·rad为微束聚焦提供了优质的光源基础。同时，HEPS光束线站容量不少于90个，一期建设14条光束线站，每个线站都根据特定科学目标优化了光学设计。
技术支持与创新突破
HEPS在加速器物理设计上进行了多项创新，如采用混合型MBA结构和基于增强器高能累积的在轴置换注入方案。在设计方面，项目采用了随机优化方法和机器学习增强的遗传算法进行非线性优化这些先进算法的应用保证了磁铁、电源、真空、注入、机械、准直、高频、束测、控制、定时、插入件等硬件指标达到国内乃至国际领先水平。
值得注意的是，中国在同步辐射微束聚焦技术方面已有相当积累。北京同步辐射装置（BSRF）在3W1A光束线上通过K-B聚焦镜实现了国内首个微束聚焦结果，并发展了高压衍射实验技术。4W2高压线站也采用K-B聚焦镜进行微束聚焦，这些经验为HEPS的微束聚焦技术提供了重要参考。
HEPS在空间相干性方面的突破
空间相干性的科学意义与技术挑战
空间相干性是衡量光源质量的关键指标之一，直接影响成像分辨率和实验精度。低发射度的电子束团可产生高空间相干性X射线，这对于衍射成像、相干散射等实验技术至关重要。第四代同步辐射光源相比前代光源的一个重要优势就是提供了更高程度的相干光，为科学研究开辟了新的可能性。
然而，维持和提升空间相干性面临诸多技术挑战。光束线中光学元件的面型误差、振动、散射、机械稳定性等因素都会导致退相干效应。光学元件的精度要求极高，需要达到纳米级或纳弧度级这对硬件设计和制造提出了极高要求。
HEPS提升空间相干性的技术途径
HEPS通过多种技术手段提升空间相干性。首先，极低的自然发射度（约35pm·rad）为高空间相干性提供了基础。低发射度意味着电子束团的尺寸和发散度更小，能够产生更高相干性的辐射。
其次，HEPS在光束线设计中充分考虑了相干性保持因素。光学元件的热负载、热变形、振动控制等都经过精心设计和优化。针对退相干现象，研究人员发展了多种补偿和校正技术，包括通过光学元件优化光束性能和相干性。
在测量技术方面，HEPS相关研究提出了基于孔径阵列的聚焦X射线空间相干度测量方法、无先验的发散X射线相干度测量技术（使用泊松盘相位屏和全相干近似理论）。这些先进的测量方法为表征和优化光源的相干性提供了有力工具。
技术集成与科学应用
光束线站设计与性能优化
HEPS光束线站是连接同步辐射光源和实验站的桥梁，负责将光源发出的光转换为具有特定能量分辨率、光斑尺寸和发射度的单色光，并实现聚焦、能量调节、微聚焦等功能。一期建设了14条公共光束线站，覆盖多种实验技术，如微聚焦X射线蛋白晶体学。
高压光束线站（HPB线站）是HEPS微束聚焦技术应用的典型代表。其光学布局包含CRL1（第一个成像透镜）用于将光束聚焦到样品上，并设有两种工作模式：模式1提供微米级光束XRD，模式2提供亚微米级光束XRD。这种多模式设计满足了不同实验需求，体现了HEPS在微束聚焦方面的技术优势。
科学应用前景
HEPS的高亮度、高分辨率和高相干性特性为多个科学领域带来了革命性的研究手段。在高压科学研究中，微束聚焦技术使得科学家能够在微米甚至纳米尺度上研究材料在极端条件下的结构变化。HEPS旨在为高压科学研究提供更小光斑、更高亮度和更好相干性的X射线探针，这将极大推动该领域的发展。
在材料科学领域，高空间相干性使能够进行纳米尺度的相干衍射成像，研究材料的微观结构和缺陷。在生物医学领域，高亮度微束允许对生物大分子进行更快速、更精确的结构解析。此外，在能源环境领域，HEPS的高性能光束为研究能源材料的结构-性能关系提供了强大工具。
结论与展望
HEPS作为中国首个第四代同步辐射光源，在微束聚焦和空间相干性方面实现了显著突破。通过采用复合折射透镜、K-B聚焦镜等多种聚焦技术，HEPS能够提供微米和亚微米尺度的聚焦光斑，最高分辨率可达150nm。在空间相干性方面，HEPS凭借极低的发射度和先进的光学设计，提供了高质量的部分相干光，为前沿科学研究提供了强大工具。
随着HEPS在2025年建成投入使用，这些技术优势将转化为科学研究能力，为能源环境、生物医学、先进材料等前沿领域提供支撑。HEPS不仅是中国同步辐射光源发展的重要里程碑，也将为世界科学发展做出重要贡献。
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