高能同步輻射光源

位于北京市懷柔區雁棲湖畔的“高能同步輻射光源”（HEPS），是中國正在建設的重大科技基礎設施，即我們常聽說的“大科學裝置”。建成后，它將是中國第一臺高能同步輻射光源，也是全球設計亮度最高的第4代同步輻射光源。它的獨特外觀充滿了未來感，在周邊湖光山影的襯托下，不斷散發出令人難以抗拒的科技之美。

相比世界范圍內廣泛建造的第3代同步輻射光源，HEPS的電子束發射度降低了1～2個數量級，由此造出比太陽還亮1萬億倍的強X射線，是一臺不折不扣的“超級顯微鏡”。在它的慧眼下，材料原子分子尺度的深層機密——無論是微觀結構還是動態過程——都將被看得通通透透。這對中國的高端制造乃至工業進步，以及前沿科學探索，都將產生無可替代的強大推動作用。

比太陽還亮1萬億倍

HEPS可以產生極亮的X射線，甚至“比太陽還亮1萬億倍”。那么，同步輻射生成的這么亮的X射線，它究竟有什么用呢？ 

其實，你可以把它理解成是一臺“超級顯微鏡”。在很多科研領域里，它的作用是無可替代的。

比如在生物學領域，通過同步輻射X射線，可以對非人靈長類（例如狨猴）的神經元做全腦無損3D成像，以深入探究腦科學的終極秘密。芯片是半導體領域的關鍵角色，利用同步輻射光源產生的X射線，就可以做到芯片微觀結構的無損檢測。

 圖源：pixabay 

這類超精細的探測能力，其他探測技術難以實現、是同步輻射光源才有的獨門絕技。

 （繪圖 / 曲怡靜） 

圖中是一支神奇的X射線手電筒，為了幫助理解，其實不能被人眼看到的X射線也被畫了出來。在透射樣本時，更亮的X射線顯然有助于我們發現更多的細節。比如在古生物科學領域中，同步輻射X射線相關技術，能夠為古生物化石樣品研究提供“快速、高效、無損”的形貌和化學研究途徑，在微觀層面深入分析化石所保存的生物學信息。

為什么要制造這么強的光？

有了光，我們才能看到物體。人眼的分辨極限在幾十微米，當我們想看清更微細的結構時，就要用到光學顯微鏡。但受限于可見光波長的衍射極限，一般光學顯微鏡的分辨極限大約為0.2微米，再小的結構就看不清了。由于物質的性質和功能往往取決于分子甚至原子層面的結構，要得到更高分辨率的圖像，就要用到波長比可見光短很多的、與原子分子尺寸相當的X射線。

但要看清更微觀的物質結構，僅波長短還不夠，還必須有足夠多的光子，這就像我們夜晚要用較亮的手電筒才能看清楚東西一樣。X射線可以穿透物體，但如果它不夠亮，我們也很難通過它獲得足夠的信息，看清物體結構的細節。要么我們只能得到一些粗陋的物質結構信息，無法分辨細微的部分；要么就必須花時間累積足夠多的光子數，而這就犧牲了“時間分辨”能力，使我們無法觀察結構發生動態變化的過程。很多時候，科研人員需要觀測樣品在使用環境中的動態信息，而光太弱，只會讓大家在黑暗中摸索。

為此，人們一直在追求制造出更亮的X射線。20世紀40年代，人們發現了作為高能加速器副產物的同步輻射，它可以提供比傳統實驗室X射線裝置更亮的X射線。進入20世紀80年代后，同步輻射X射線用于科學研究的巨大潛力被廣泛認知，同步輻射裝置也隨之進入了高速建設和發展的時代。

X射線是怎樣產生的？HEPS是怎樣運作的？中國的同步輻射光源之路有著哪些奮斗故事？

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