2024年10月12日，晚上9點半，國家重大科技基礎設施高能同步輻射光源（HEPS）常務副總指揮董宇輝團隊的實驗人員，把一張橙色膠片掛在硬X射線成像線站的樣品放置區。調整好膠片位置后，他們走出實驗站，關上厚重的防輻射門，按下按鈕，打開光閘。
不到半分鐘，實驗站門上的指示燈從紅色的“實驗中”變成了綠色的“允許進入”。等董宇輝等人再次進入實驗站時，橙色膠片中心偏上的位置，出現了一塊邊緣齊整的黑色長方形黑斑。
這是HEPS發出的第一束高能光留下的印跡。經過5年多的建設，我國第一臺高能同步輻射光源出光了。
3月27日，在2025中關村論壇年會期間，HEPS宣布正式啟動帶光聯調。這是該裝置繼去年10月12日發出第一束光之后的新進度，標志著我國“最亮”同步輻射光源裝置進入了建成前的沖刺階段。建成后，它將成為我國乃至亞洲地區首臺第四代同步輻射光源。
2024年8月HEPS航拍圖。中國科學院高能物理研究所供圖
第一束光
看到第一束光打出的黑斑，現場躁動起來，有人遞給董宇輝一支紅色馬克筆，讓他在膠片上寫點東西。他拔下筆帽，在黑色光斑周圍寫下：“21I1A，W73，第一束光；2024.10.12，21:30；曝光0.1s（秒）；距光源點330m（米）……”
第一束光留下的印跡。中國科學院高能物理研究所供圖
高能同步輻射光源產生的電子，經過型號為“W73”的扭擺器，發出高能X光，光被引入硬X射線成像線站，在“跑”了330米后，最終從編號為“21I1A”的窗口發射出來，只用了0.1秒就讓膠片的黑斑足夠清晰。
做完記錄后，董宇輝和在場的30多位實驗人員，舉起帶黑斑的橙色膠片，拍了張合影。合影里的橙色膠片和一張張笑臉，成為這個高能同步輻射光源新里程碑的標志。
第一束光出光后，團隊拍下合影。中國科學院高能物理研究所供圖
時至今日，我國同步輻射光源已經從第一代的北京正負電子對撞機的同步輻射裝置、第二代的合肥光源、第三代的上海光源，走到了第四代的高能同步輻射光源，光束也做得更亮，分辨率更高，能更清楚地看到微觀世界。
“就像下雨天轉動雨傘，雨水會沿切線方向射出來一樣，國外科學家在上世紀四五十年代發現，加速器里的電子束在拐彎時會沿路線的切線方向發出一種光。最初，大家認為它是一種不好的東西，會帶走能量。現在，人們不僅發現這是一種可用于探測微觀世界的有用的光，而且將這種光用到了極致。”HEPS工程總指揮、中國科學院高能物理研究所研究員潘衛民說。
HEPS出光的這一天，比他們計劃的時間提前了3個多月。線站團隊從2024年10月10日開始調光，只調了兩天，就看見了第一束光。
2024年10月12日，HEPS的第一束光抵達硬X射線成像線站。中國科學院高能物理研究所供圖
“我們出光調試的過程，多少顯得有些波瀾不驚。”董宇輝笑著說，“前面的技術工程做得好，后面的出光調試就少受很多罪。”
“毫米”“微米”“納米”“皮米”
第一束光打出黑斑只用了0.1秒，科學家調試第一束光只用了兩天，而為了打出第一束光，HEPS工程準備了5年之久。
HEPS主要由加速器、光束線站兩大部分構成。加速器的作用主要是產生、加速電子并發射同步輻射光。儲存環上的彎鐵、插入件會讓電子扭擺或振動，并“甩”出同步輻射光。被“甩”出來的光隨后進入光束線，經過進一步調制加工后，被引入實驗站。
這一工程聽起來簡單，做起來卻不容易。例如，1.36公里的大設施里，很多技術細節要以毫米、微米衡量。
裝置運行時，電子束束流會以接近光的速度，在1.36公里的儲存環里旋轉。
作為電子跑道的真空盒，直徑只有22毫米，細到無法用傳統的泵吸方式抽真空，于是科研人員就想到給真空盒鍍膜來吸收里面的氣體。“鍍膜時，我們的操作空間是一個6毫米的狹縫，要在這個狹縫里薄厚一致地鍍膜，本身就是一個國際難題。”潘衛民說。
不僅如此，基座之間的一點細微差錯，就會導致電子“跑”得不順。儲存環的磁鐵之間，準直誤差必須小于30微米，基座之間的誤差必須小于50微米。為了保證基座穩定，工程人員把土挖出來，灌注了3米厚的混凝土。為了防止基座變形，他們還要使近1.5公里長的隧道里的環境溫度保持在25±0.1攝氏度。
有些實驗要求將相干的X射線光束聚焦到納米粗細，需要用米級尺寸亞納米精度的光學元件使X射線的波前穩定調控至皮米精度。這里面用到了我國自行或聯合研制的世界上最高精度的光學元器件和探測手段。
“我們從一開始就抓得很緊，一天天往前推進。建設過程中，有很多目標用傳統技術是達不到的，只有通過創新，才能實現這些目標，達到第四代光源對出光質量的要求。”潘衛民說。
從2019年6月29日HEPS開工建設至今，經過5年多的努力，他們破解了諸多工程建設難題，目前，已完成加速器和首批光束線站的建設。首批光束線站包括6條用戶光束線站和1條測試線站。
潘衛民為記者介紹儲存環的技術創新情況。倪思潔/攝
帶光聯調
“就像制造汽車一樣，‘出光’意味著現在汽車可以行駛了。但是，汽車的門、內飾還沒有裝完。目前的‘帶光聯調’任務，就是讓加速器提供的電子和光到達光束線站，由線站團隊調節光束線站里的光學元件，對光進一步加工，從而滿足實驗指標需求。”潘衛民說。
在硬X射線成像線站上看到第一束光后，線站團隊利用鋼板預制裂紋標樣，結合自主研發的超高像素數、高分辨、高靈敏度的面探測器，開展了相襯成像對比實驗。
實驗結果表明，與常規光源相比，該線站的光穿透更深、分辨率更高，靈敏度顯著提高，可檢出的裂紋顯著增加，成像的對比度也大大提高。
“作為HEPS首批14條線站之一，該線站可實現難以兼得的強穿透且高靈敏度、大視場且高分辨X射線成像，將為航空航天工程材料研究、全腦介觀3D成像等前沿領域提供強有力的科研支撐。”董宇輝說。
目前，已經出光的光束線站早已不只是硬X射線成像線站。董宇輝介紹，線站團隊已于2024年10月10日至31日和2025年1月22日至25日，分別完成兩輪調光。他們對7條線站進行了調光，7條線站均已見光，其中4條束線實現實驗站出光、3個實驗站開展測試實驗、1條光束線大部分性能指標達標。
在光束線站帶光調試的同時，HEPS的加速器部分也在持續開展束流調試，提升和優化儲存環電子束流品質。
潘衛民介紹，到2025年1月，經過多輪束流調試，HEPS儲存環束流流強達到了40毫安以上，發射度降低到93皮米弧度。電子束流的發射度是描述電子束質量和特性的重要參數之一，發射度越小，說明電子束橫向的分散程度越小，電子束的運動分布越接近束流的軸向，束流的品質就越好，發出的同步輻射光的亮度也就越高。
“加速器部分和光束線站部分正在聯動。在這些工作完成后，我們將向國家提交驗收申請。”潘衛民說。
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