高能同步輻射光源

位于北京市懷柔區(qū)雁棲湖畔的“高能同步輻射光源”（HEPS），是中國正在建設(shè)的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，即我們常聽說的“大科學(xué)裝置”。建成后，它將是中國第一臺高能同步輻射光源，也是全球設(shè)計(jì)亮度最高的第4代同步輻射光源。它的獨(dú)特外觀充滿了未來感，在周邊湖光山影的襯托下，不斷散發(fā)出令人難以抗拒的科技之美。

相比世界范圍內(nèi)廣泛建造的第3代同步輻射光源，HEPS的電子束發(fā)射度降低了1～2個數(shù)量級，由此造出比太陽還亮1萬億倍的強(qiáng)X射線，是一臺不折不扣的“超級顯微鏡”。在它的慧眼下，材料原子分子尺度的深層機(jī)密——無論是微觀結(jié)構(gòu)還是動態(tài)過程——都將被看得通通透透。這對中國的高端制造乃至工業(yè)進(jìn)步，以及前沿科學(xué)探索，都將產(chǎn)生無可替代的強(qiáng)大推動作用。

比太陽還亮1萬億倍

HEPS可以產(chǎn)生極亮的X射線，甚至“比太陽還亮1萬億倍”。那么，同步輻射生成的這么亮的X射線，它究竟有什么用呢？ 

其實(shí)，你可以把它理解成是一臺“超級顯微鏡”。在很多科研領(lǐng)域里，它的作用是無可替代的。

比如在生物學(xué)領(lǐng)域，通過同步輻射X射線，可以對非人靈長類（例如狨猴）的神經(jīng)元做全腦無損3D成像，以深入探究腦科學(xué)的終極秘密。芯片是半導(dǎo)體領(lǐng)域的關(guān)鍵角色，利用同步輻射光源產(chǎn)生的X射線，就可以做到芯片微觀結(jié)構(gòu)的無損檢測。

 圖源：pixabay 

這類超精細(xì)的探測能力，其他探測技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)、是同步輻射光源才有的獨(dú)門絕技。

 （繪圖 / 曲怡靜） 

圖中是一支神奇的X射線手電筒，為了幫助理解，其實(shí)不能被人眼看到的X射線也被畫了出來。在透射樣本時，更亮的X射線顯然有助于我們發(fā)現(xiàn)更多的細(xì)節(jié)。比如在古生物科學(xué)領(lǐng)域中，同步輻射X射線相關(guān)技術(shù)，能夠?yàn)楣派锘瘶悠费芯刻峁翱焖?、高效、無損”的形貌和化學(xué)研究途徑，在微觀層面深入分析化石所保存的生物學(xué)信息。

為什么要制造這么強(qiáng)的光？

有了光，我們才能看到物體。人眼的分辨極限在幾十微米，當(dāng)我們想看清更微細(xì)的結(jié)構(gòu)時，就要用到光學(xué)顯微鏡。但受限于可見光波長的衍射極限，一般光學(xué)顯微鏡的分辨極限大約為0.2微米，再小的結(jié)構(gòu)就看不清了。由于物質(zhì)的性質(zhì)和功能往往取決于分子甚至原子層面的結(jié)構(gòu)，要得到更高分辨率的圖像，就要用到波長比可見光短很多的、與原子分子尺寸相當(dāng)?shù)腦射線。

但要看清更微觀的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，僅波長短還不夠，還必須有足夠多的光子，這就像我們夜晚要用較亮的手電筒才能看清楚東西一樣。X射線可以穿透物體，但如果它不夠亮，我們也很難通過它獲得足夠的信息，看清物體結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。要么我們只能得到一些粗陋的物質(zhì)結(jié)構(gòu)信息，無法分辨細(xì)微的部分；要么就必須花時間累積足夠多的光子數(shù)，而這就犧牲了“時間分辨”能力，使我們無法觀察結(jié)構(gòu)發(fā)生動態(tài)變化的過程。很多時候，科研人員需要觀測樣品在使用環(huán)境中的動態(tài)信息，而光太弱，只會讓大家在黑暗中摸索。

為此，人們一直在追求制造出更亮的X射線。20世紀(jì)40年代，人們發(fā)現(xiàn)了作為高能加速器副產(chǎn)物的同步輻射，它可以提供比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室X射線裝置更亮的X射線。進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，同步輻射X射線用于科學(xué)研究的巨大潛力被廣泛認(rèn)知，同步輻射裝置也隨之進(jìn)入了高速建設(shè)和發(fā)展的時代。

X射線是怎樣產(chǎn)生的？HEPS是怎樣運(yùn)作的？中國的同步輻射光源之路有著哪些奮斗故事？

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