本文华算科技系统介绍了高能同步辐射光源（HEPS）的基本原理、核心组成、技术突破与多领域应用：它利用接近光速的电子在磁场中偏转产生高亮度、宽谱段、高准直的同步辐射X射线，通过低发射度储存环、精密磁铁系统和光束线实验站实现纳米级成像与结构解析；作为第四代光源，HEPS衍射极限设计将亮度提升百倍，可支撑高压科学、材料、生物、能源环境等前沿研究，中国HEPS项目计划于2025年建成，届时将使我国成为全球第三个拥有第四代高能光源的国家，并推动智能化与自由电子激光融合的未来光源发展。
基本原理：弯曲路径上的光之奇迹
同步辐射的本质是带电粒子（通常为电子）在接近光速运动时，因速度方向改变而产生的电磁辐射 。这一现象最初在高能物理加速器中被偶然发现，科学家观察到电子在磁场偏转时会发出强烈的“杂散光”，后经研究证实其具有优异的光学特性，由此开启了同步辐射作为人工光源的全新篇章 。
其核心物理过程依赖于储存环结构：电子束在环形真空管道中高速循环，当经过弯曲磁铁或插入件（如扭摆器、波荡器）时，受磁场力作用发生偏转，沿切线方向辐射出电磁波 。这种光并非普通光线，而是具有宽光谱覆盖（从红外到硬X射线）、高亮度（比常规X光源高百万倍）、高准直性（发散角极小）、高偏振性及脉冲时间结构等特性的“超级光” 。
核心组件：精密协作的光子工厂
高能同步辐射光源（HEPS）作为第四代光源的代表，由三大核心系统构成：
- 加速器与储存环这是光源的“心脏”。电子首先由直线加速器加速至数百兆电子伏特，再经增强器注入能量至5–6 GeV（HEPS设计值），最后储存在周长约1.3公里的储存环中 。储存环通过精确控制的磁场维持电子束稳定运行，其低发射度（HEPS为34.2 pm·rad）是决定光源亮度的关键参数 。
- 磁铁系统包括三类关键装置：
- 偏转磁铁：引导电子弯曲轨道，产生基础辐射；
- 扭摆器（Wigglers） ：通过强磁场使电子大幅振荡，提升辐射能量；
- 波荡器（Undulators） ：利用周期性磁场使电子微幅振荡，产生相干性极高的准单色光 。插入件是HEPS实现超高亮度（达）的核心技术 。
- 光束线与实验站光束线如同“光子导管”，通过单色器（筛选特定波长）、准直镜（调整光路）、聚焦镜（缩小光斑至纳米级）等光学元件，将同步辐射光精准输送到实验站 。实验站配备高灵敏度探测器，用于捕捉光子与物质相互作用信号，解析原子、分子结构 。
技术飞跃：第四代光源的革新
HEPS代表同步辐射的第四代技术，其突破在于：
- 衍射极限设计：采用多弯铁消色散（MBA）磁结构，将电子束发射度降至理论极限，使光源亮度比第三代提升百倍以上 ；
- 高能X射线输出：电子能量6 GeV可产生300 keV硬X射线，穿透力更强，适合厚样品或极端环境研究 ；
- 相干性革命：光波相位高度一致，支持纳米级成像及单粒子研究 。
与欧洲同步辐射光源（ESRF）对比：
| 参数 | HEPS | ESRF |
| 电子能量 | 5–6 GeV | 6.0 GeV |
| 发射度 | 34.2 pm·rad | 4.0 μm·rad |
| 亮度 | 1022量级 | 常规高水平 |
科学应用：照亮未知领域
HEPS的极端性能为多学科带来革命性工具：
- 高压科学在百万大气压和数千摄氏度条件下，利用高能X射线衍射技术，直接观测地幔矿物相变、氢金属化等过程，破解行星内部演化之谜 。
- 材料科学通过纳米分辨三维成像（如相干衍射成像），实时追踪锂电池充放电过程中的锂离子迁移；或利用X射线散射解析高温超导机理 。
- 生物医学无需结晶即可解析病毒蛋白结构（如冷冻电镜联合技术）；或开展活细胞重金属元素分布的荧光成像，助力疾病机理研究 。
- 能源环境原位观测催化剂活性中心结构；分析污染物在土壤颗粒中的迁移路径，为清洁能源技术开发提供依据 。
中国HEPS：建设进展与未来
作为国家重大科技基础设施，HEPS于2017年12月获批，2019年6月在北京怀柔启动建设 。截至2021年：
- 土建工程完成80%，加速器隧道主体成型；
- 关键设备（磁铁、高频腔）进入批量生产；
- 增强器已完成束流调试 。
项目计划2025年竣工并投入运行，一期将建成14条公共光束线（如高压衍射线、硬X射线显微线），远期可容纳90余条线站 。建成后，中国将成为全球第三个拥有高能区第四代光源的国家，推动材料、生命、环境等领域的前沿探索 。
趋势展望：智能与极限
未来光源发展呈现两大方向：
- 智能化运行：基于人工智能的束流实时调控，提升光源稳定性与自动化水平；
- 光源融合：结合自由电子激光（FEL）技术，发展同时具备超高亮度与超快脉冲的混合光源 。
同步辐射不仅是照亮微观世界的“火把”，更是人类突破认知边界的“阶梯”。从原子排列到星系演化，从生命密码到材料创生，高能同步辐射光源正以其无与伦比的性能，开启一个以“光”为钥的发现时代。
【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！
