
在北京怀柔科学城的雁栖湖畔,一座外形酷似巨型手持放大镜的建筑静静矗立。
它没有炫目的灯光,也没有轰鸣的机器声,但就在这个看似安静的环形建筑里,藏着一束地球上最亮的光,比太阳还要亮一万亿倍。
这束光,不是用来照明,也不是用来发电,而是用来“看”东西的。
只不过,它看的不是山川河流,也不是城市街景,而是肉眼根本看不见的微观世界:
原子、分子、晶体结构、材料内部的微小裂纹,甚至细胞内部的精细构造。
这个被称为“高能同步辐射光源”(英文缩写HEPS)的大科学装置,于2025年10月29日正式通过了中国科学院组织的工艺验收。
这意味着,经过六年多的建设,我国第一个高能同步辐射光源、亚洲第一个第四代同步辐射光源,已经具备了投入运行的基本条件。
它的建成,不仅填补了我国在高能同步辐射领域的空白,更标志着我们在探索微观世界的能力上,迈入了世界最前列。
那么,这个“巨型放大镜”到底是什么?
它怎么工作?
又为什么值得我们普通人关注?
先说说它是什么。
同步辐射光源,听起来很专业,其实原理并不复杂。
简单理解,它就是一个超级X光机。
我们去医院拍X光片,能看到骨头有没有断裂;
而HEPS发出的光,能穿透金属、陶瓷、生物组织,甚至芯片内部,看清纳米尺度的结构细节。
它发出的不是普通可见光,而是高能X射线,亮度极高、穿透力极强、相干性极好,可以实现高分辨、高灵敏、原位、实时的观测。
这个装置的核心是一个周长1360米的环形储存环。
电子在这里被加速到接近光速,然后在磁场作用下转弯。
每当电子转弯时,就会沿着切线方向“甩”出一束极其明亮的光,这就是同步辐射光。
整个过程有点像下雨天快速转动雨伞,水珠会沿着伞边飞出去。
只不过,这里“飞”出去的是光,而且是人类目前能造出来的最亮的光。
为什么需要这么亮的光?
因为要看清微观世界,光必须足够“锐利”。
就像用模糊的相机拍不出清晰的照片,用暗淡的光源也看不清原子的排列。
亮度越高,信噪比越好,成像越清晰,实验速度也越快。
HEPS的设计亮度,是目前医院X光机的十万亿倍,比太阳表面亮度高一万亿倍。
这样的光源,才能支撑起对纳米材料、芯片结构、蛋白质折叠、航空发动机叶片内部缺陷等前沿问题的深入研究。
很多人可能会问:这东西离我们生活太远了吧?
其实不然。
HEPS的用途,早已渗透到我们日常生活的方方面面。
比如在芯片制造领域。
随着芯片制程越来越小,7纳米、5纳米甚至3纳米,内部结构复杂到肉眼和普通显微镜完全无法分辨。
HEPS可以无损地“透视”芯片内部,检查是否有微小短路、材料应力是否均匀、金属互连是否完整。
这对于提升国产芯片良率、突破“卡脖子”技术,意义重大。
再比如新药研发。药物起效的关键,在于它如何与人体内的蛋白质结合。
要设计出高效低毒的新药,必须先看清靶点蛋白的三维结构。
过去,科学家靠冷冻电镜或传统同步辐射光源做这件事,耗时长、成本高。
而HEPS凭借超高亮度和相干性,可以在更短时间内获得更高精度的结构数据,大大加速药物筛选和优化过程。
未来,也许你吃的某一种抗癌药,就曾在这束光下被“看清”过。
还有工程材料。
飞机发动机的叶片要在上千摄氏度高温下高速旋转,任何微小的内部缺陷都可能导致灾难性后果。
HEPS的硬X射线成像线站,能穿透厚重金属,清晰呈现叶片内部的晶格结构、微裂纹、孔隙分布,甚至在模拟高温高压环境下实时观察材料如何变形、失效。
这种能力,对提升国产大飞机、高铁、核电等重大装备的安全性和寿命至关重要。
此外,在新能源领域,比如固态电池的研发,科学家需要观察锂离子在电极材料中如何迁移、沉积。
HEPS可以实现原位、动态观测,帮助优化电池结构,提升能量密度和循环寿命。
在环境科学中,它可以分析污染物在土壤或水体中的微观形态,为治理提供依据。
在文物保护中,它甚至能无损分析古画颜料成分、青铜器锈蚀机理,助力文化遗产保护。
可以说,HEPS不是一个只为发论文服务的“象牙塔”装置,而是一个支撑国家科技、工业、医疗、能源等多领域创新的“基础设施”。
就像电网、高速公路、5G基站一样,它本身不直接生产产品,但没有它,很多高端研发就寸步难行。
值得一提的是,HEPS并非凭空出现。
我国同步辐射光源的发展已有近40年历史。
1989年,依托北京正负电子对撞机建成了第一代同步辐射装置(BSRF);
1990年代,合肥建成了第二代专用光源;
2009年,上海光源作为第三代光源投入使用,成为当时亚洲最先进的同步辐射设施。
这些装置在过去几十年里,支撑了大量基础研究和应用开发,成果丰硕。
但前三代光源都是中低能区的,无法满足对高能X射线的需求。
高能X射线穿透力更强,适合研究致密材料、大块样品、复杂工况下的结构演化。
而HEPS正是我国在高能同步辐射领域的“补课”之作,也是“升级”之作。
它不仅是我国第一台高能同步辐射光源,更是全球亮度最高的第四代同步辐射光源之一。
建设这样一个“大国重器”,难度极高。
整个装置包含上万个高精度部件,对真空度、温度稳定性、机械振动控制的要求近乎苛刻。
比如储存环的真空度要达到10⁻⁹帕斯卡,比外太空还要“空”;
电子束的轨道稳定性要控制在微米级别;
光束线上的纳米聚焦镜,表面粗糙度要小于一个原子直径。
这些技术,很多都是国内首次突破,背后是成百上千科研人员、工程师多年如一日的攻坚。
2024年10月12日晚上9点半,HEPS成功发出“第一束光”。
团队将一张橙色胶片放在出光口,曝光0.1秒后,胶片上出现了一块边缘整齐的黑斑,这就是那束看不见的光留下的印记。
那一刻,没有欢呼,只有默默记录下时间的笔迹:“2024.10.12 21:30”。
这束光,凝聚了太多人的汗水与期待。
如今,HEPS已通过工艺验收,一期建设了14条用户光束线站和1条测试线站,未来最多可扩展至90条。
这意味着,来自全国高校、研究所、企业的科研人员,都可以申请使用这个平台开展实验。
中国科学院也明确表示,将加大向企业的开放共享力度,推动科技创新与产业创新深度融合。
当然,HEPS的建成只是开始。
接下来,还需要完成国家验收,进入正式运行阶段。
同时,如何高效管理用户申请、优化实验流程、培养专业操作人才,都是摆在面前的现实课题。
但可以肯定的是,这台“超级眼睛”一旦全面运转,将极大提升我国在微观尺度上的科研能力,为解决一系列“卡脖子”问题提供关键支撑。
回过头看,HEPS的外形像放大镜,寓意很贴切:人类对世界的认知,本质上就是一个不断“放大”的过程。
从肉眼看到山川,到望远镜看到星系,再到显微镜看到细胞,如今,我们用同步辐射光源看到了原子。
每一次“放大”,都带来一次认知边界的拓展,也催生新的技术革命。
HEPS不是终点,而是新起点。
它不会立刻改变我们的生活,但它正在为未来的改变打下基础。
也许十年后,当你乘坐国产大飞机飞越太平洋,当你用国产芯片的手机刷视频,当你服用一种高效新药康复出院,背后都有这束“最亮的光”曾经照过的痕迹。
在这个强调“硬科技”的时代,真正的国之重器,往往不在聚光灯下,而在实验室深处。
它们沉默、精密、复杂,却支撑着一个国家走向未来的底气。HEPS,正是这样的存在。
它不喧哗,自有声。