中国"超级显微镜"HEPS：开启第四代同步辐射光源联合调试新纪元

【编辑推荐】中国科学院高能物理研究所成功实现高能光子源(HEPS)的束流联合调试，这项投资47.6亿元的国家重大科技基础设施采用混合多弯消色差(MBA)晶格设计，突破性地实现93 pm·rad电子束发射度，其万亿倍于阳光的X射线亮度将重塑物质结构研究的时空分辨率极限，为航空航天材料、癌症诊疗等领域提供革命性研究工具。

　　

在探索物质微观世界的科学征程中，科学家们一直渴望拥有能捕捉原子尺度动态过程的"超级显微镜"。随着瑞典、法国和巴西的三台第四代光源投入运行，全球同步辐射技术已进入纳米分辨时代。然而，现有设施在亮度、发射度等关键指标上仍存在物理极限挑战，特别是亚洲地区尚缺乏此类尖端设施。中国科学院高能物理研究所(IHEP)历时17年攻关，成功将高能光子源(HEPS)推进至联合调试阶段，这项突破性进展近期发表于《The Innovation》。

研究人员采用混合多弯消色差(MBA)晶格设计，通过增加二极磁铁数量降低单磁铁偏转角度，结合高梯度四极磁铁强聚焦和反向弯曲磁铁，将束流发射度压缩至物理极限。为解决超低发射度下的注入难题，创新性地开发了"基于增强器高能积累的轴上置换注入"技术，该技术相比美国APS-U项目的废束丢弃方案，实现了束流"电荷循环利用"。项目团队还成功验证了W73波荡器在350米距离外精确输送高能X射线的能力。

加速器性能突破

通过优化磁铁阵列配置，HEPS存储环在2025年1月实现93 pm·rad的世界级电子束发射度，束流电流超过40 mA。这种超低发射度设计使X射线亮度达到太阳光的万亿倍，为材料科学研究建立了新基准。

创新注入方案

2025年1月2日成功演示的轴上置换注入技术，利用6 GeV束流能量的辐射阻尼效应，将增强器改造为可同时加速新束团和循环废束团的"双向枢纽"。这种"绿色"方案仅需维持约1 mm的动态孔径，完美平衡了发射度与注入效率的矛盾。

光束线里程碑

2024年10月12日，HXI光束线成功将W73波荡器产生的高能同步辐射输送至350米外的终端站。该光束线集成更高相干性、更深穿透力、更宽视场和更高分辨率四大优势，其双模成像系统可实现10厘米尺度视场下的亚微米分辨率，为神经网络研究和宇宙材料分析提供全新工具。

科学应用前景

HEPS的10 nm分辨率将推动超轻高强航空材料、癌症早期诊断标记物发现、新型能源材料等领域的突破性进展。与合肥先进光源(HALF)形成硬/软X射线互补研究体系，共同支撑中国在前沿基础科学和高技术领域的原始创新能力。

这项研究标志着中国同步辐射技术正式迈入全球第一梯队。HEPS不仅将成为量子材料动力学研究的利器，更将作为国际科研合作枢纽，通过其教育功能培养新一代科学家。正如项目常务副总指挥董宇辉所言，这个"光的魔术"正在悄然改变物质科学研究的传统范式，其科学价值将随着正式运行持续释放。