国之重器超级X光机新突破！我国重大科技基础设施全线贯通

　　从空中俯瞰，这三栋建筑整体上看就像一把放大镜，它是什么？这就是我国第一台高能量同步辐射光源（HEPS）工程，也是世界上亮度最高的第四代同步辐射光源之一。工程建成之后，将同世界上正在运行的美国先进光子源（APS）、欧洲同步辐射装置（ESRF）、日本SPring8和德国的PETRA一起，构成世界五大高能同步辐射光源。
　　说到这，很多人可能会想到这是不是一个超大灯泡或者超大放大镜呢？HEPS工程总指挥潘卫民用一句很贴地气的话道出了工程本质可以把它视为一个具有超精密、超快、超穿透能力的巨型X光机。这里所谓的高能指的是物理学中探索微观世界物质探针所具有的高能量。
　　那么问题来了，建这个超级X光机干什么用呢？一句半句通俗的话，还真说不清楚，所以跟着小编一起探秘HEPS工程吧。
　　什么是同步辐射光源？
　　那到底什么是同步辐射呢？就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。想要研究材料内部结构和变化过程，对物质内部进行多维度扫描，就离不开高能量同步辐射光源（HEPS），它可以提供高能、高亮度的硬X射线，这才有了上面的超级X光机的通俗说法。
　　要想产生X射线，物理学界通常有两种做法：一是常规做法金属钯被加速后的电子轰击，从而产生X射线。二是非常规做法在同步辐射装置中，电子以近光速运行，会在磁场作用下发生曲线运动，沿着曲线轨迹的切线方向就会发射连续的电磁辐射，这就是X射线。形象地说，就像下雨时转动雨伞，沿着雨伞切线边缘会甩出水珠类似。这种非常规的方法产生的同步辐射光源能够产生频谱更宽、亮度更高、相干性和准直性更好的同步辐射光。
　　按照加速器中电子能量的高低水平，分为低、中、高三大类，各有侧重应用。要想对物质微观结构进行多维度的观测，就需要高能量同步辐射光源（HEPS）。这也是我国高能物理学界孜孜以求的目标。为什么要建高能量同步辐射光源（HEPS）工程？
　　高能量同步辐射光源（HEPS）是前沿基础科学、工程物理和工程材料科学等不可或缺的研究手段，之前我国在高能区同步辐射装置这块是空白的。我国之前总共有5台同步辐射装置，分别是：北京同步辐射装置（BSRF）、合肥同步辐射光源（HLS）、上海光源（SSRF）、台湾光源（TLS）、台湾光子源（TPS），不过它们都处于中、低能区，光谱亮度在大于40keV能量的硬X射线波段与国际上的先进高能光源存在着明显的差距，比如上述的美、欧、日、德同类设备。
　　建设了高亮度、高能量的高能同步辐射光源，就可以为国家重大科技任务开展、工业核心能力提升、基础前沿科学发展提供先进的实验平台和基础条件支撑。简言之，它就是一个大的实验平台，有了它搭台，很多涉及国家安全、具有核心竞争力的前沿研究领域的工作就能在这上面唱戏。但是这个国之重器，别人有，也不会给我们用，那么只能自力更生。于是《国家重大科技基础设施建设十三五规划》中把高能量同步辐射光源（HEPS）工程列入其中，同意建设。国家发改委在2017年批复了该项目建议书。
　　那这项工程到底是干什么用的呢？国家给出了精准的答案，分为科学目标和工程目标两部分（如下图所示），简单讲在化学工程、能源环境、生物医学等领域的科学研究中提供放大镜的作用。
　　咱们中国新建的高能同步辐射光源装置的特点是高能量和高密度，可以提供高亮度的硬X射线，同时满足国家安全和工业核心创新能力发展的研究需求。在有限的研究资金之下，我国的高能同步辐射光源装置主要面向14个方向的科研研究，这已经十广泛了。【后附具体应用方向】
　　快览：我国高能量同步辐射光源（HEPS）工程
　　这个工程项目位于北京市怀柔科学城核心区，紧靠美丽的雁栖湖，工程占地面积约65万平方米，总建筑面积约12。5万平方米，整个工程主体由大环、中环、小环3栋环形建筑组成，环与环之间通过网架连接而成，共同组成显微世界的超级放大镜。
　　细分的话，整个工程项目包括1号装置区、2号环外低温厅和综合动力站、3号安全技术楼、48号环境监测站等。因为科学研究的需要，这些建筑外形造型独特，建筑设计主要为一层，局部二层。
　　最吸引人眼球的是大环，也就是1号装置区，从空中看就像一面超级放大镜，它是整个高能量同步辐射光源（HEPS）的主体实验建筑。它的建筑面积高达11。4万平方米，其中屋面面积约9。2万平方米，建筑高13。01米，总长约1400米，总宽度5866米。
　　大环的外环半径255米，外周长1601。4米，内环半径189米，内周长1186米，径向轴线共133道，环形轴线7道。屋面就是这把超级放大镜的环框。大环（1号装置区）主环又分为外环实验室、中环试验大厅和隧道以及内环设备用房，内含主环、增强器隧道和直线隧道、增强器设备楼、直线设备楼、超长光束线隧道和实验站等。
　　大环（1号装置区）结构平面布置示意图
　　大环（1号装置区）结构典型剖面布置
　　大环（1号装置区）的电力、制冷等能源供应来自2号环外低温厅及综合动力站，之间有管道连通。3号安全技术楼主要是实验室、储存间等用房。48号环境监测站布置在项目周边区域，项目运行期间用于监测周边环境。工程原理
　　我国的高能量同步辐射光源（HEPS）主装置中主要包括加速器、光束线和实验站3部分。加速器部分由直线加速器、增强器和储存环等3台独立的加速器，以及连接彼此的3条输运线组成。由电子枪端头产生的高品质电子束，先在直线加速器内加速到0。5GeV的能量，随后在进入增强器再被加速到6GeV，之后从增强器环内引出，再注入到专门为电子发光准备的储存环中。
　　电子束团在储存环的环形轨道中以接近光速，在储存环的不同位置，通过弯转磁铁或各种插入件时，就会沿着偏转轨道的切线方向，发射出高品质、高能量、高强度的连续或可调光谱的同步辐射光。
　　高频辐射光再经过光束线上的高精度压弯、单色器、聚焦镜等一系列精密光学系统分光、准直、聚焦等再加工后，提供纳米空间分辨、皮秒时间分辨、毫电子伏能量分辨的同步光。
　　快览：工程建设进度
　　这项工程建设周期是6。5年，预计将于2025年12月底竣工，总投资46。8亿元（暂定），其中国家投资37。44亿元、北京市配套资金9。36亿元。
　　自国家批复同意建设以来，在2019年8月19日开工建设，随后陆续完成1号装置区土方、独立基础结构施工，实验大厅防微振换填、钢结构安装、金属屋面、外墙封闭等工作，并在2020年6月30日完成准直系统、2021年5月31日完成地下管沟的工程移交。
　　2021年6月30日完成2号环外低温厅及综合动力站；2021年6月28日完成该项目直线加速器隧道及首台科研设备电子枪安装成功，这标志着工程正式进入设备安装阶段；2023年1月130日增强器全线贯通。
　　全部建设工程计划于2022年6月29日完成竣工交付，全部实验用工艺设备安装、调试计划于2024年12月30日完成。按照计划，2024年第一束同步光将出束，项目整体在2025年9月开始试运行，2025年底建成提交国家验收申请。到2035年，线站总数将达到60条左右，总体进入世界前列，其中10条左右处于世界领先水平。
　　突破卡脖子核心技术和部件
　　高能同步辐射光源工程的建设，包含加速器、光束线站以及配套装置等组成，在建设中面临着众多世界级的挑战，只有突破关键卡脖子技术部件，才算真正地建成。
　　比如首台安装的加速器设备电子枪，它位于高能同步辐射光源直线加速器的端头，是加速电子产生的源头，它由枪体、陶瓷桶、防晕环、阴栅组件四大部件组成，这些需要完全采用国产技术、自主设计、国内加工才可以，走在前面的美、欧、日、德等不会为我们提供帮助，我们也不可能依靠人家才能走路。
　　这其中，阴栅组件就是关键卡脖子部件，还有数字BPM电子学等一些关键核心技术。这些技术咱们进口不了，也买不到，于是中科院高能物理所就自己科研攻关，在中科院支持下，几年下来，阴栅组件技术基本达到进口产品水平，BPM电子学技术也与国外产品性能相当，能实现0。1微米精度的测量。此外还有像素阵列探测器的研发，也达到了国际先进水平。
　　疑虑：它有辐射吗？
　　一听到辐射两个字，大家都难免恐慌。同步辐射光属于电离辐射，难免会破坏人体组织结构，公众不接触或尽量少接触肯定是对的、好的。但是大家也不必过于恐慌，因为一般人也没有机会接近这个工程。
　　技术专家有过分析，即使装置附近的居民一年所接受到的辐射剂量，大约跟乘坐15分钟飞机的辐射量相当。而且同步辐射光源的物理本性也决定了它所产生的辐射是瞬发性，加速器不运行时，辐射场自动消失。
　　即便如此，还有在里面的工作人员，和可能到此参观的人员呢，他们又是如何确保避免辐射的呢？进入工作实验或者参观时，只要遵循工作人员的引导，完全不用担心辐射安全问题。原来高能同步辐射光源工程早已对辐射安全进行了分区管理，主要分为三区，：
　　控制区：属于高放射性工作场所，包括直线加速器隧道、增强器隧道、储存环隧道、光束线站（包括出墙棚屋和实验棚屋）。
　　监督区：属于低放射性区域，为上述控制区的外部工作场所。包括同步辐射大厅、高频厅、电源厅、低放废物暂存间、技术安全楼、动力中心。监督区边界为相应建筑物边界。
　　场址边界：工程产生的辐射对场址边界的剂量贡献不超过0。1mSva。
　　高能量同步辐射光源（HEPS）装置中设置了19个迷宫通道，具备离辐射最近的屏蔽辐射功能，包括：储存环11个迷宫通道、增强器与储存环之间的2个迷宫通道、增强器4个迷宫通道、直线与增强器之间的1个迷宫通道、直线加速器1个迷宫通道。储存环迷宫以及增强器与储存环之间的迷宫都按能量6GeV、流强400mA的突然丢束工况设计。
　　除了加速器这里，在光束线站处也有相应辐射屏蔽措施。并且，根据高能量同步辐射光源（HEPS）装置的物理空间分布，把辐射工作场所划分成了四个联锁控制区域，也就是直线加速器联锁控制区（下图红色）、增强器联锁控制区（下通黄色）、储存环联锁控制区（下图绿色）、光束线站联锁控制区，以门禁监控系统为基础，联锁钥匙系统为辅助，这样可以避免人员误入正在产生瞬发辐射的联锁控制器区，避免人员滞留控制区时产生瞬发辐射，避免控制区内辐射不经控制向外扩散。
　　平台建成后怎么用？
　　高能量同步辐射光源（HEPS）装置由中科院主导建设，但是并不是说只有中科院自己才能用。全面建成后，将参照相关的运行规范和已有光源的开放共享经验，全天时运行，按照开放合作、资源共享的原则，面向多用户、多领域开放，相关院校用户可根据需求，选择相应的实验线站申请机时。
　　也就是说，这一耗资巨大的先进科研平台，是面向全国的，这也是我们举国体制搞科研的优势所在。相信我们的科研工作者，会乘着东风，在更多关键卡脖子领域取得更多的成绩和突破，在民众看不到、不熟悉的领域再立新功。
　　附：高能同步辐射光源14个应用方向
　　1。工程材料线站；
　　2。硬X射线微纳米探针线站；
　　3。X射线时间分辨线站；
　　4。相干X射线衍射成像线站和X射线光子相关谱学线站；
　　5。非弹性X射线散射线站；
　　6。高压极端条件线站；
　　7。硬X射线多功能显微成像线站；
　　8。X射线吸收谱线站；
　　9。表面界面衍射散射线站；
　　10。蛋白质晶体学线站；
　　11。高通量小角X射线散射线站；
　　12。超高分辨纳米电子结构线站；
　　13。中能谱学线站；
　　14。结构能谱微纳成像线站。
　　参考文献，特此致谢！
　　1、《高能同步辐射光源项目主体结构设计》
　　2、《高能同步辐射光源项目综合施工技术》
　　3、《高能同步辐射光源：照亮微观世界的结构奥秘》
　　4、《中国首个高能同步辐射光源开始安装》
　　5、《高能同步辐射光源：探索微观世界的大国重器》
　　6、《高能同步辐射光源项目环评报告书》
　　中国产业名片了不起的中国基建