文章华算科技系统介绍了中国首座第四代高能同步辐射光源HEPS，阐述其在北京怀柔科学城建设中的核心技术突破（如35 pm·rad自然发射度、300 keV X射线能量、10²²量级峰值亮度）、创新设计（混合型七弯磁铁晶格与在轴置换注入方案），以及在生命科学、材料科学、量子物理等领域的90条光束线应用布局，并展望其2025年全面运行后对全球科研与产业带来的深远影响。
高能同步辐射光源（High Energy Photon Source，简称HEPS）是中国自主研发建设的第四代同步辐射光源，坐落于北京怀柔科学城。作为国家重大科技基础设施，HEPS旨在为材料科学、生命科学、物理学等领域提供前所未有的研究工具，其设计目标聚焦于超高亮度、极低发射度和高能X射线输出。本文将基于现有技术资料，系统解析HEPS的科学价值与技术突破。
HEPS的科学定位与核心目标
HEPS是中国首个第四代同步辐射光源，其核心目标是在硬X射线波段实现全球领先的性能指标。与第三代光源（如欧洲的ESRF、美国的APS）相比，HEPS通过创新设计实现了三大突破：
- 自然发射度低至35 pm·rad：这一指标处于世界最高水平，直接影响光源的相干性和亮度；
- 最高X射线能量达300 keV：可穿透更厚或密度更高的样品，拓展极端条件下的研究能力；
- 峰值亮度突破10²² phs/(s·mm²·mrad²·0.1%BW) ：比第三代光源高两个数量级，具备观测纳米级结构与飞秒级过程的能力。
这些特性使HEPS成为解析蛋白质结构、研发新型功能材料、探索高压极端条件下物质行为的“超级显微镜”。
创新技术：晶格设计与注入方案
1. 混合型七弯磁铁（Hybrid 7BA）晶格结构
HEPS储存环采用创新的混合型七弯磁铁（Hybrid 7BA）晶格设计，历经十余年迭代优化。其核心改进包括：
- 磁体布局优化：通过增加弧区空间（每单元约1.1米）并调整磁铁排列，平衡工程可行性与性能需求；
- 动态孔径控制：晶格修改后动态孔径略有减小，但仍满足束流注入要求，确保运行稳定性；
- 发射度恢复：优化后自然发射度接近理论极限（35 pm·rad），显著提升光源相干性。
2. 在轴置换注入方案（On-Axis Swap-out Injection）
HEPS在国际上首次提出基于增强器高能累积的在轴置换注入方案：
- 高能累积：电子束在增强器中预加速至6 GeV后注入储存环，电荷量达15 nC；
- 稳定运行：该方案减少束流扰动，支持200 mA高电流运行。
关键性能参数与技术指标
| 参数类别 | 设计指标 | 科学意义 |
| 电子束能量 | 6 GeV | 决定X射线最高能量（300 keV） |
| 储存环周长 | 1360米 | 容纳更多束流单元与光束线 |
| 自然发射度 | 35 pm·rad | 提升光束相干性与分辨率 |
| 束流电流 | 200 mA（设计目标， | 直接影响光通量与亮度 |
| 时间分辨率 | 100 ps量级 | 捕捉超快化学与物理过程 |
| 空间分辨率 | 10 nm量级 | 解析原子级结构 |
| 能量分辨率 | 1 meV量级 | 精准探测电子态与化学键 |
注：部分参数（如RF频率、动量压缩因子）在公开资料中未明确，反映其技术敏感性。
科学应用与光束线布局
HEPS规划建设90余条光束线，首批14条公共光束线聚焦前沿科学问题：
1. 生命科学
- ID02（微聚焦蛋白质晶体学） ：解析膜蛋白、病毒颗粒等复杂生物大分子结构；
- ID23（结构动力学） ：研究酶催化反应的实时动态过程。
2. 材料科学与高压物理
- ID31（高压光束线） ：模拟地幔条件（>100 GPa），探索超导材料与相变机制；
- ID07（工程材料） ：原位观测航空航天合金的疲劳损伤机理。
3. 量子与凝聚态物理
- ID09（硬X射线相干散射） ：表征拓扑材料的电子自旋态；
- ID33（高分辨率光谱学） ：测量单原子催化剂的局域电子结构。
4. 化学与环境科学
- ID46（X射线吸收光谱） ：追踪污染物的转化路径与催化机制。
建设进展与挑战
1. 时间线与里程碑
- 2017年：项目正式获批；
- 2019年6月：怀柔园区奠基，启动土建工程；
- 2023年3月：首次实现500 MeV电子束加速；
- 2025年：预计全面投入运行。
2. 技术挑战与突破
- 数据洪流管理：单月原始数据量超24 PB，需开发专用处理系统；
- 磁铁批量制造：混合型7BA晶格需高精度磁场控制；
- 真空系统维护：1360米环内需维持10⁻⁹ Pa超高真空。
科学意义与国际影响
HEPS的建成将使中国在同步辐射领域跻身全球前列：
- 填补技术空白：突破高亮度光源的“卡脖子”技术，支撑芯片制造、新药研发等产业；
- 引领交叉研究：揭示量子效应、生命过程等基本科学问题；
- 国际开放共享：作为全球用户设施，吸引跨国合作（如高压科学联盟）。
正如科学家所言：“HEPS的亮度相当于将全球探照灯的光汇聚到一个针尖上，让我们看到前所未见的微观世界。”
结语
高能同步辐射光源HEPS不仅是一座精密的科学装置，更是人类探索未知的灯塔。从北京怀柔的土地上射出的每一束高能光子，都可能照亮材料变革、能源突破或生命奥秘的新路径。随着2025年全面运行临近，HEPS正静待全球科学家共同开启微观探索的新纪元。
【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！
