2024年10月12日，晚上9點半，國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施高能同步輻射光源（HEPS）常務(wù)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(qū)。調(diào)整好膠片位置后，他們走出實驗站，關(guān)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(xiàn)了一塊邊緣齊整的黑色長方形黑斑。

這是HEPS發(fā)出的第一束高能光留下的印跡。經(jīng)過5年多的建設(shè)，我國第一臺高能同步輻射光源出光了。

3月27日，在2025中關(guān)村論壇年會期間，HEPS宣布正式啟動帶光聯(lián)調(diào)。這是該裝置繼去年10月12日發(fā)出第一束光之后的新進度，標(biāo)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(qū)首臺第四代同步輻射光源。

2024年8月HEPS航拍圖。中國科學(xué)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(xiàn)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(xué)院高能物理研究所供圖

高能同步輻射光源產(chǎn)生的電子，經(jīng)過型號為“W73”的扭擺器，發(fā)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(fā)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(biāo)志。

第一束光出光后，團隊拍下合影。中國科學(xué)院高能物理研究所供圖

時至今日，我國同步輻射光源已經(jīng)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(zhuǎn)動雨傘，雨水會沿切線方向射出來一樣，國外科學(xué)家在上世紀(jì)四五十年代發(fā)現(xiàn)，加速器里的電子束在拐彎時會沿路線的切線方向發(fā)出一種光。最初，大家認為它是一種不好的東西，會帶走能量?，F(xiàn)在，人們不僅發(fā)現(xiàn)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?！盚EPS工程總指揮、中國科學(xué)院高能物理研究所研究員潘衛(wèi)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(diào)光，只調(diào)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(xué)院高能物理研究所供圖

“我們出光調(diào)試的過程，多少顯得有些波瀾不驚?！倍钶x笑著說，“前面的技術(shù)工程做得好，后面的出光調(diào)試就少受很多罪?！?/p>

“毫米”“微米”“納米”“皮米”

第一束光打出黑斑只用了0.1秒，科學(xué)家調(diào)試第一束光只用了兩天，而為了打出第一束光，HEPS工程準(zhǔn)備了5年之久。

HEPS主要由加速器、光束線站兩大部分構(gòu)成。加速器的作用主要是產(chǎn)生、加速電子并發(fā)射同步輻射光。儲存環(huán)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(jīng)過進一步調(diào)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(shè)施里，很多技術(shù)細節(jié)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(huán)里旋轉(zhuǎn)。

作為電子跑道的真空盒，直徑只有22毫米，細到無法用傳統(tǒng)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(wèi)民說。

不僅如此，基座之間的一點細微差錯，就會導(dǎo)致電子“跑”得不順。儲存環(huán)的磁鐵之間，準(zhǔn)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(wěn)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(huán)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(xué)元件使X射線的波前穩(wěn)定調(diào)控至皮米精度。這里面用到了我國自行或聯(lián)合研制的世界上最高精度的光學(xué)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(shè)過程中，有很多目標(biāo)用傳統(tǒng)技術(shù)是達不到的，只有通過創(chuàng)新，才能實現(xiàn)這些目標(biāo)，達到第四代光源對出光質(zhì)量的要求。”潘衛(wèi)民說。

從2019年6月29日HEPS開工建設(shè)至今，經(jīng)過5年多的努力，他們破解了諸多工程建設(shè)難題，目前，已完成加速器和首批光束線站的建設(shè)。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(wèi)民為記者介紹儲存環(huán)的技術(shù)創(chuàng)新情況。倪思潔/攝

帶光聯(lián)調(diào)

“就像制造汽車一樣，‘出光’意味著現(xiàn)在汽車可以行駛了。但是，汽車的門、內(nèi)飾還沒有裝完。目前的‘帶光聯(lián)調(diào)’任務(wù)，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(diào)節(jié)光束線站里的光學(xué)元件，對光進一步加工，從而滿足實驗指標(biāo)需求?！迸诵l(wèi)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(yù)制裂紋標(biāo)樣，結(jié)合自主研發(fā)的超高像素數(shù)、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(jié)果表明，與常規(guī)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(xiàn)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(lǐng)域提供強有力的科研支撐。”董宇輝說。

目前，已經(jīng)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(diào)光。他們對7條線站進行了調(diào)光，7條線站均已見光，其中4條束線實現(xiàn)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(biāo)達標(biāo)。

在光束線站帶光調(diào)試的同時，HEPS的加速器部分也在持續(xù)開展束流調(diào)試，提升和優(yōu)化儲存環(huán)電子束流品質(zhì)。

潘衛(wèi)民介紹，到2025年1月，經(jīng)過多輪束流調(diào)試，HEPS儲存環(huán)束流流強達到了40毫安以上，發(fā)射度降低到93皮米弧度。電子束流的發(fā)射度是描述電子束質(zhì)量和特性的重要參數(shù)之一，發(fā)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(zhì)就越好，發(fā)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(lián)動。在這些工作完成后，我們將向國家提交驗收申請。”潘衛(wèi)民說。