四代光源提升详解：迈向衍射极限的“超级显微镜”

文章华算科技系统解析了第四代同步辐射光源相较第三代的革命性升级：采用多弯铁消色散（MBA）结构把电子束发射度压到 0.01–0.1 nm·rad，使亮度提升 100–1000 倍达 10²² 量级，并首次实现微米级部分相干，从而将“超级显微镜”推向衍射极限；由此催生相干成像、单分子结构解析、原位材料演化等全新实验范式，同时也带来 X 射线纳米光学、极低发射度稳定运行、海量数据算法等前沿挑战，而 2025 年建成的中国 HEPS 将成为世界顶尖平台，引领多学科突破。

新一代科学探索的曙光

同步辐射光源被誉为“超级显微镜”，是支撑多学科前沿基础研究和高新技术研发的顶级实验平台。自诞生以来，同步辐射光源经历了四代发展。第四代同步辐射光源（Fourth-Generation Synchrotron Radiation Light Source）是当前全球科技竞争的制高点，它并非对前代技术的简单升级，而是一场革命性的性能飞跃。其核心进步集中体现在两个关键指标上： 亮度（Brightness）‍ 与 相干性（Coherence）‍ ，这两个指标的巨大提升，使得科学家能够以前所未有的精度和效率洞察物质世界的微观结构与动态演化过程 。本报告将严格依据现有研究资料，深入解析第四代光源相较于前代，尤其第三代光源，所实现的关键性能提升、背后的核心技术以及其带来的科学机遇与挑战。

核心性能飞跃：亮度与相干性的量级提升

第四代光源的标志性优势在于其光束质量实现了质的飞跃，这主要体现在亮度和相干性两个维度上。

亮度：洞察微观世界的“探照灯”

在同步辐射领域，亮度是衡量光源性能最重要的综合性指标，它定义为单位时间、单位面积、单位立体角内和单位带宽内的光子数。高亮度意味着光束能量高度集中，能够被聚焦到微米甚至亚微米级别的极小光斑上，同时依然保持极高的信号强度 。

第四代光源的亮度相较于第三代光源实现了惊人的提升。研究资料明确指出，第四代光源的亮度可以比第三代高出两到三个数量级，即100到1000倍 。具体数值上，第三代光源的亮度已达到10¹⁹至10²⁰ phs/s/mm²/mr²/0.1%B.W.的水平，而第四代光源则可达到10²²phs/s/mm²/mr²/0.1%B.W.以上 。以正在建设的中国高能同步辐射光源（High Energy Photon Source, HEPS）为例，其设计亮度目标就达到了1×10²² phs/s/mm²/mr²/0.1%B.W的量级，这代表了世界同步辐射光源技术的顶尖水平 。

亮度的巨大提升直接转化为更高的实验效率和探测灵敏度。它不仅缩短了数据采集时间，更使得以往因信号微弱而无法开展的实验成为可能，极大地拓展了科学研究的边界 。

相干性：从“灯泡”到“类激光”的跨越

如果说亮度是光源的“强度”，那么相干性则描述了光的“品质”。传统光源如同灯泡，发出的光波相位杂乱无章；而高相干光源则更接近激光，光波在空间和时间上具有高度的规整性。第四代光源正是实现了从非相干到空间部分相干的重大飞跃 。

这种高空间相干性是第四代光源的另一核心特征 。它催生了多种依赖相干性的新型实验方法，如相干X射线衍射成像（Coherent Diffraction Imaging, CDI）、X射线光子关联谱（X-ray Photon Correlation Spectroscopy, XPCS）等 。这些技术能够实现纳米级的空间分辨率，甚至对非晶体材料进行三维成像，无损地“看清”材料内部的精细结构和动态行为 。

值得注意的是，第四代光源并非完全相干，而是呈现出“部分相干性”（Partial Coherence）。这一特性为实验带来了新的机遇，也提出了新的挑战。传统的基于几何光学的理论和模拟算法不再完全适用，迫切需要发展新的部分相干理论和算法来精确描述和利用这种光束 。关于其相干长度，目前没有一个统一的典型值，其数值与具体实验条件密切相关。在一些实验测量或模拟中，其空间相干尺寸通常在微米（μm）量级，例如从几微米到几十微米不等，在特定条件下甚至可以达到数百上千微米 。

技术基石：多弯铁消色散（MBA）结构详解

第四代光源性能的革命性提升，源于其加速器物理设计的根本性创新。其核心目标是将储存环中电子束的 自然发射度（Emittance）‍ 降低至接近X射线波长的衍射极限水平 。电子束发射度越低，同步辐射光的品质就越高，亮度和相干性也随之提升。

实现这一目标的关键技术，是采用了 多弯铁消色散（Multi-Bend Achromat, MBA）‍ 的磁聚焦结构 。MBA结构设计的核心思想是通过在储存环的每个周期单元（cell）中，大幅增加使电子束偏转的二极磁铁（即弯转磁铁）的数量，并配合使用梯度更强的四极磁铁进行强横向聚焦 。这种设计能够极大地压缩电子束的相空间体积，从而获得极低的发射度，典型值可降至0.01~0.1 nm-rad的范围 。

在具体的磁铁参数方面，虽然现有资料未给出MBA结构中弯转磁铁的典型数量和间距，但明确了其设计方向是“增加弯转磁铁数量” 。对于磁场强度，为了避免磁铁材料的饱和效应影响磁场均匀性，储存环中常规弯转磁铁的磁场强度通常被限制在1到1.2特斯拉（Tesla）左右 许多同步辐射光源的实际运行值也在此范围 典型值约为1特斯拉 。

除了MBA结构，第四代光源的建设还依赖于一系列尖端技术的支撑，例如小孔径磁铁技术、先进超高真空技术等，这些技术共同保障了低发射度电子束的稳定运行 。

前沿应用与挑战：开启全新科研范式

凭借其超高的亮度和相干性，第四代光源正在成为众多科学领域取得突破性进展的强大引擎。

广阔的应用前景

在材料科学领域，它能够原位、实时地观测材料在合成、服役过程中的微观结构演变 。在生命科学中，它有望解析单个生物大分子或病毒颗粒的结构，极大推动结构生物学和药物研发 。在能源与环境科学中，它可以帮助科学家深入理解催化反应机理、电池充放电机理以及污染物在环境中的迁移转化过程，为解决能源危机和环境问题提供科学依据 。

面临的技术挑战

第四代光源的卓越性能也给技术带来了前所未有的挑战。

1. X射线光学瓶颈：要将高质量的X射线光束无损地传输并聚焦到样品上，需要制造和控制精度极高的光学元件（如反射镜、单色器等），这对加工工艺、热变形控制和波前保持技术提出了极致要求，是决定光源最终性能的关键瓶颈之一 。
2. 加速器物理与运行：维持极低发射度电子束的长期稳定运行是一项艰巨任务，面临束流校正、轨道波动控制、高效注入方法等一系列复杂的物理和技术难题 。
3. 数据处理与理论发展：高通量、高相干的实验将产生海量数据，对数据处理和分析能力构成巨大压力。同时，如前所述，部分相干光的特性也要求发展新的物理理论模型来支撑实验数据的精确解读 。

结语：中国之光——高能同步辐射光源（HEPS）的展望

在全球第四代光源的建设浪潮中，位于北京怀柔科学城的高能同步辐射光源（HEPS）项目备受瞩目 。作为中国首个第四代同步辐射光源，HEPS于2019年6月正式开工建设，计划于2025年建成并投入使用 。HEPS的建成将为我国科学家提供一个世界顶级的实验平台，其超高的亮度和相干性将助力我国在物质科学、生命科学、能源科学等多个领域产出世界级的原创性成果 。

综上所述，第四代同步辐射光源通过以MBA结构为核心的技术革新，实现了亮度与相干性的量级突破，它不仅是一台更强大的“超级显微镜”，更是一个能够激发全新研究范式、推动科学前沿不断拓展的革命性工具。随着HEPS等新一代光源的陆续建成，人类探索微观世界的视野将被提升至一个前所未有的新高度。

【高端测试 找华算】

华算科技是专业的科研解决方案服务商，精于高端测试。拥有10余年球差电镜拍摄经验与同步辐射三代光源全球机时，500+博士/博士后团队护航，保质保量！

🏅已助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果在Nature&Science正刊及子刊、Angew、AFM、JACS等顶级期刊发表！

👉立即预约，抢占发表先机！