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北京青年報(bào) 2025-06-21 17:52:47
在北京懷柔科學(xué)城高空俯瞰，一個(gè)形狀很像手持放大鏡的建筑格外顯眼。它就是國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施高能同步輻射光源（HEPS），經(jīng)過(guò)5年多的建設(shè)，已成功發(fā)出“第一束光”。高能同步輻射光源到底是什么？長(zhǎng)啥樣？又有什么用？6月18日，北京青年報(bào)記者跟隨“活力中國(guó)調(diào)研行”主題采訪活動(dòng)前往這一“大國(guó)重器”所在地進(jìn)行了探訪。
探訪：形似“放大鏡”的大國(guó)重器
來(lái)到位于雁棲湖畔的懷柔科學(xué)城，除了優(yōu)美的景致，更吸引人的便是承載創(chuàng)新活力的大科學(xué)裝置。
北青報(bào)記者注意到，在高能同步輻射光源園區(qū)內(nèi)有三棟主體建筑，未來(lái)感十足。從沙盤上可以很直觀地看到，建筑整體外形酷似一個(gè)放大鏡，“手柄”位置是綜合實(shí)驗(yàn)樓和用戶服務(wù)樓，“鏡框”位置則是光源裝置區(qū)域。
據(jù)中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員、高能同步輻射光源工程總指揮潘衛(wèi)民介紹，整個(gè)建筑占地976畝，相當(dāng)于90個(gè)足球場(chǎng)大小。放大鏡的“鏡框”是一個(gè)環(huán)形建筑，周長(zhǎng)1300多米。如果沿著外環(huán)道路步行需要二三十分鐘。
北青報(bào)記者在現(xiàn)場(chǎng)注意到，在光源裝置實(shí)驗(yàn)大廳里有騎自行車經(jīng)過(guò)的工作人員，他們這么做便是為了提高工作效率。
據(jù)了解，該工程就是高能同步輻射光源（HEPS），是我國(guó)“十三五”期間優(yōu)先建設(shè)的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。設(shè)施建成后可更好地滿足航空航天、能源環(huán)境、生物醫(yī)藥等前沿科學(xué)和工程應(yīng)用等領(lǐng)域的研究需求，成為國(guó)際領(lǐng)先的高能同步輻射光源實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
HEPS是國(guó)家發(fā)展改革委批復(fù)立項(xiàng)，中國(guó)科學(xué)院、北京市共建懷柔科學(xué)城的核心裝置，由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所承擔(dān)建設(shè)，主要建設(shè)內(nèi)容由加速器、光束線站、配套設(shè)施等構(gòu)成。2019年6月啟動(dòng)建設(shè)，建設(shè)周期6.5年。建成后，將成為世界上設(shè)計(jì)亮度最高的第四代同步輻射光源，也是中國(guó)第一臺(tái)高能同步輻射光源。
追訪：它發(fā)出的“第一束光”什么樣？
截至目前，HEPS項(xiàng)目完成了加速器和第一批光束線站的建設(shè)。
△高能同步輻射光源
建設(shè)5年多來(lái)，HEPS項(xiàng)目不斷取得階段性成果。2021年6月28日，第一臺(tái)科研設(shè)備安裝，2023年3月14日，直線加速器滿能量出束；2024年7月1日，儲(chǔ)存環(huán)全環(huán)貫通進(jìn)入聯(lián)調(diào)階段。
值得一提的是，2024年10月12日成功發(fā)出“第一束光”。高能同步輻射光源產(chǎn)生的光什么樣？2024年10月12日晚，HEPS常務(wù)副總指揮董宇輝帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)將一張橙色膠片掛在出光口，他們調(diào)整好膠片位置后走出實(shí)驗(yàn)站，關(guān)閉防輻射門，按下按鈕，打開光閘。
關(guān)閉光閘，實(shí)驗(yàn)站門上的指示燈由紅色的“禁止進(jìn)入”變成綠色的“允許進(jìn)入”。團(tuán)隊(duì)人員再次走進(jìn)實(shí)驗(yàn)站時(shí)，橙色膠片上出現(xiàn)一塊邊緣整齊的黑斑。這就是HEPS發(fā)出的第一束光留下的印跡。董宇輝也在上面記錄了此珍貴的時(shí)刻：高能同步輻射光源發(fā)出“第一束光”“2024.10.12 21:30”“曝光0.1s（秒）”。
潘衛(wèi)民告訴北青報(bào)記者，由于裝置發(fā)出的光不是可見光，人眼無(wú)法直觀感受到它的存在。同步輻射光源不是像電燈、蠟燭那樣發(fā)出的一種簡(jiǎn)單的光，它是不能直接被看到的X光。HEPS就像一個(gè)超級(jí)放大鏡一樣能將微觀物質(zhì)看得很清楚，相當(dāng)于一個(gè)巨型X光機(jī)，可以檢測(cè)到航天材料在加工和服役過(guò)程中有沒有裂痕，也可以看到細(xì)胞分子結(jié)構(gòu)。HEPS裝置的基本原理是“加速電子 產(chǎn)生光”，用加速器給電子加速到接近光速，然后在它的拐彎的時(shí)候沿著切線方向會(huì)有光射出來(lái)，類似于下雨打雨傘，一轉(zhuǎn)傘會(huì)有雨珠沿著切線方向射出來(lái)。兩者之間的現(xiàn)象是相通的。
關(guān)注：比太陽(yáng)亮一萬(wàn)億倍有什么用？
時(shí)至今日，我國(guó)的同步輻射光源已發(fā)展了近40年。我國(guó)同步輻射光源已經(jīng)從第一代的北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)上兼用的北京同步輻射裝置、第二代專用的合肥光源、第三代的上海光源，走到了第四代的高能同步輻射光源。
為什么需要第四代高能同步輻射光源？潘衛(wèi)民解釋，從第一代、第二代到第三代，每一代的亮度指標(biāo)都有提升，也作出了非常出色的成績(jī)。比如第一代光源在2003年的時(shí)候，解析了SARS病毒的分子結(jié)構(gòu)。第四代將要“照亮”的是納米級(jí)、更加復(fù)雜的微觀世界。
他繼續(xù)解釋道，第四代同步輻射光源發(fā)光的亮度更高，是平時(shí)照胸片X光機(jī)的十萬(wàn)億倍?！耙吹轿镔|(zhì)里的細(xì)節(jié)，很重要的一點(diǎn)就是要有足夠亮的光。比方說(shuō)，打個(gè)手電筒看東西，手電筒越亮，就能看得越清楚。光越亮意味著探測(cè)的信噪比越高，精度越高，探測(cè)速度也越快?！迸诵l(wèi)民表示，目前已經(jīng)利用發(fā)出的“第一束光”開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，確實(shí)比以前觀察到的樣品更清晰，比如說(shuō)一些航天材料的裂紋明顯比用其他光源要判斷得更清楚。方便以后在這些材料生產(chǎn)和服役過(guò)程中保駕護(hù)航。
未來(lái)：將進(jìn)入開放共享階段
從提供X光能量的角度，同步輻射光源主要有三個(gè)能區(qū)：低能、中能和高能光源。HEPS裝置里的電子束流能量高，發(fā)射的同步光的能量也更高，所以稱它是高能的。
△多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學(xué)成像設(shè)施
如果說(shuō)看清物體表面需要有光，那看清物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)則需要X光。高能的同步光穿透的能力更強(qiáng)，更適合真實(shí)服役的工件結(jié)構(gòu)表征。
HEPS首期建設(shè)14條用戶光束線站和1條測(cè)試線站。其中，硬X射線成像線站（HXI）是HEPS的特色線站之一，可提供高空間相干的高能X射線。據(jù)介紹，初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與常規(guī)光源對(duì)比，HXI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(duì)比度也大大提高。 HXI線站可實(shí)現(xiàn)此前難以兼得的，強(qiáng)穿透且高靈敏度、大視場(chǎng)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(qiáng)有力的科研支撐。
HEPS仍在繼續(xù)更新進(jìn)度，2025年3月27日，正式宣布啟動(dòng)帶光聯(lián)調(diào)。截至目前，已完成了4輪帶光聯(lián)調(diào)工作，多條光束線站開展特色樣品實(shí)驗(yàn)，下一步將繼續(xù)開展調(diào)試工作，最終實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目驗(yàn)收指標(biāo)，進(jìn)入開放共享階段。
聚焦：懷柔科學(xué)城打造世界級(jí)原始創(chuàng)新承載區(qū)
懷柔科學(xué)城，是北京建設(shè)國(guó)際科技創(chuàng)新中心的核心支撐，是國(guó)家創(chuàng)新體系的重要組成。這里圍繞物質(zhì)、空間、生命、地球系統(tǒng)、信息與智能五大科學(xué)方向，布局37個(gè)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施（大科學(xué)裝置）、科教基礎(chǔ)設(shè)施和交叉研究平臺(tái)。
值得一提的是，“十二五”以來(lái)，綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置等6個(gè)大科學(xué)裝置集中在懷柔綜合性國(guó)家科學(xué)中心落地。目前地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置、綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置、多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學(xué)成像設(shè)施、子午工程二期4個(gè)大科學(xué)裝置已先后通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收。
其中，多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學(xué)成像設(shè)施是《國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃》確定的建設(shè)項(xiàng)目，是我國(guó)科學(xué)家在生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域首倡的大科學(xué)設(shè)施。該項(xiàng)目于2025年3月通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收。
成像設(shè)施由四大核心裝置和一個(gè)輔助平臺(tái)構(gòu)成，包括多模態(tài)醫(yī)學(xué)成像裝置、多模態(tài)活體細(xì)胞成像裝置、多模態(tài)高分辨分子成像裝置、全尺度圖像整合系統(tǒng)以及模式動(dòng)物等輔助平臺(tái)和配套設(shè)施。多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學(xué)成像設(shè)施的建設(shè)目標(biāo)就是打破尺度壁壘，打造從人體到分子的“一體化”生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)集群，可實(shí)現(xiàn)對(duì)人體內(nèi)微觀細(xì)胞的精細(xì)化“拍照”成像，幫助醫(yī)生看得更清晰、更透徹，猶如有了“透視眼”。
成像設(shè)施將實(shí)行開放、流動(dòng)、擇優(yōu)的機(jī)制，面向全國(guó)開放共享，還將與法國(guó)生物醫(yī)學(xué)成像平臺(tái)建立國(guó)際聯(lián)盟。成像設(shè)施將為復(fù)雜生命科學(xué)問題和重大疾病的研究提供成像組學(xué)研究手段，全景式研究和解析生物醫(yī)學(xué)重大科學(xué)問題，推動(dòng)生物醫(yī)學(xué)研究的范式變革。同時(shí)，成像設(shè)施將成為引領(lǐng)和帶動(dòng)技術(shù)和方法創(chuàng)新的國(guó)家基地，與高校、科研院所、生物醫(yī)學(xué)影像的設(shè)備、軟件企業(yè)以及醫(yī)院等組建產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟，打造生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)“產(chǎn)學(xué)研用”的創(chuàng)新生態(tài)環(huán)境，為高端生物醫(yī)學(xué)影像裝備實(shí)現(xiàn)“中國(guó)創(chuàng)造”提供戰(zhàn)略支撐和保障。
懷柔科學(xué)城正以世界先進(jìn)水平的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施群為依托，將建成與國(guó)家戰(zhàn)略需要相匹配的世界級(jí)原始創(chuàng)新承載區(qū)，代表國(guó)家在更高層次上參與全球科技創(chuàng)新與合作。
據(jù)懷柔科學(xué)城管委會(huì)副主任、懷柔區(qū)??政府副區(qū)?蘭雄景介紹，懷柔科學(xué)城邊建設(shè)、邊運(yùn)行、邊產(chǎn)出，發(fā)揮設(shè)施平臺(tái)載體優(yōu)勢(shì)和高校院所資源優(yōu)勢(shì)，突破關(guān)鍵核心技術(shù)51項(xiàng)，產(chǎn)出重大科技成果329項(xiàng)，在懷創(chuàng)新主體榮獲2023年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)13項(xiàng)，2023年度北京市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)26項(xiàng)。
16個(gè)科技設(shè)施平臺(tái)面向全球開放共享，累計(jì)開放機(jī)時(shí)超過(guò)123萬(wàn)小時(shí)，服務(wù)國(guó)內(nèi)外用戶600余家，成為全球重大科技基礎(chǔ)設(shè)施密度最強(qiáng)的地區(qū)之一、國(guó)家戰(zhàn)略科技力量最完善的地區(qū)之一以及原始創(chuàng)新成果技術(shù)引領(lǐng)新高地。
責(zé)編：李莉芹
一審：李莉芹
二審：陳永剛
三審：文鳳雛
來(lái)源：北京青年報(bào)
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