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【光明日报】高能同步辐射光源:照亮微观世界的结构奥秘

发布时间:2022-07-13

来源:光明日报 张亚雄【字号:

  这里是北京雁栖湖畔的怀柔科学城。

  群山环绕中,一个圆环状的大科学装置静静矗立其间。它是被公众亲切地称为“放大镜”的高能同步辐射光源(High Energy Photon Source,简称HEPS)。

  提起光源,你的脑海中会浮现出灯泡的画面吧,于是把HEPS想象成一个“大型灯泡”。

  其实不然。这里的“高能”可不是“前方高能”里的那个“高能”,而是指物理学中探索微观世界物质探针所具有的高能量。

  据HEPS工程总指挥潘卫民研究员介绍,从高空俯瞰,HEPS整体建筑形似一个放大镜,设计寓意为“探索微观世界的利器”。“通俗地讲,你可以把HEPS视为一个具有超精密、超快、超穿透能力的巨型X光机。”潘卫民说。

  作为国家“十三五”重大科技基础设施,HEPS由加速器、光束线站及配套设施等组成,总建筑面积约12.5万平方米。周长约1.5千米的主体环形建筑,如同放大镜的镜框,里面安装有储存环加速器、光学元件、衍射仪等科学仪器。其中的储存环里,分布着2400多块磁铁及各类高精尖设备。

  “同步辐射是指接近光速的带电粒子在做曲线运动时沿切线方向发出的电磁辐射,也叫作同步光。为了研究材料内部结构与变化的过程,科研人员需要借助强力的科研装置进行探测解析。”中科院高能物理研究所副所长、HEPS工程常务副总指挥董宇辉研究员说,作为研究物质内部结构的平台,HEPS能对物质内部进行多维度扫描,“HEPS运行的首要目标,就是提供高能、高亮度的硬X射线。”

  产生X射线的常见方式有两种:一是用加速后的电子轰击金属靶,产生X射线;二是在同步辐射装置中,当电子以接近光速的速度“飞行”时,会在磁场作用下发生曲线运动,沿着弯转轨道切线方向发射连续的电磁辐射。

  “这就像下雨时,我们快速转动雨伞,沿着雨伞边缘的切线方向会飞出一簇簇水珠。”董宇辉说,与常规X射线相比,同步辐射光源产生的同步辐射光频谱更宽、亮度更高、相干性和准直性更好。

  同步辐射光源根据加速器中电子的能量,可以分为低、中、高三种,各有侧重。董宇辉介绍,HEPS侧重于对微观结构及演变的多维度、实时、原位表征,可用于航空发动机单晶叶片等工程材料结构的多维度表征和1微米量级蛋白质分子结构演变表征等。“作为探测物质结构的探针,X射线的光源亮度是最为关键的指标——更高的亮度能将物质内部的微观结构‘看’得更清楚。因此,获得更高亮度的X射线源一直是科学家孜孜以求的目标。”

  多年来,我国持续发展同步辐射光源,有力支撑了国内基础科学的发展。但我国目前所拥有的同步辐射装置均处于中、低能区,能区地域分布、光谱亮度等还满足不了经济发展和国家战略需求。建设更高亮度的第四代高能同步辐射光源,成为潘卫民、董宇辉等我国当代“追光人”的一大愿望。

  2008年,HEPS科研团队就开始对我国建设HEPS的必要性和可行性进行论证。此后经过近十年攻关,科研人员成功完成关键技术攻关和样机研制任务,具备了建设先进高能同步辐射光源的能力。

  2019年6月,HEPS开工启动,建设周期6.5年,预计将于2025年12月底竣工。建成后,它将在材料科学、化学工程、能源环境、生物医学、航空航天等众多领域大显身手。

  2021年6月28日,HEPS首套科研设备——电子枪(直线加速器端头,即加速电子产生的源头)安装完成,标志着HEPS工程正式进入设备安装阶段。

  目前,HEPS各建筑单体已陆续交付设备安装。可以预见,3年后,全球“最亮”的光源将照亮微观世界物质的结构奥秘。

  (原载于《光明日报》 2022-07-13 01版)

(责任编辑:侯茜)

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