当一束亮度超越太阳万亿倍的X射线穿透物质，科学家便拥有了解码微观世界的“超级视力”——这并非科幻场景，而是北京怀柔科学城正在发生的科技革命。作为亚洲首个第四代同步辐射光源，中国科学院高能物理研究所（以下简称高能所）负责建设的高能同步辐射光源（HEPS）完成初步调束调光，启动带光联调。该大型科学装置预计将于2025年底启动试运行，不仅将为人类揭示物质本源规律提供关键性研究工具，亦彰显一个国家攀登基础研究科学顶峰的战略决心。

2025年3月27日，北京——中国科学院高能所正式宣布，国家重大科技基础设施“高能同步辐射光源（HEPS）”已成功完成初步调束调光，正式进入带光联调阶段（图A）。这台斥资47.6亿元人民币打造的"超级显微镜"，将以能量达300 keV、亮度超越太阳万亿倍的X射线，重新定义物质结构研究的时空分辨率极限。

迄今为止，全世界只有瑞典、巴西、法国、美国和中国拥有第四代同步辐射光源。作为全球第五台、亚洲首个第四代同步辐射光源，HEPS致力于将加速器、光学性能推向物理极限，打造物质结构探测的“超级探针”。物理极限的背后是工程和技术博弈，HEPS的核心挑战在于如何以创新性技术驾驭极端参数下的粒子动力学和极限精度上的X射线光学。HEPS于2008年首次提出，于2019年6月开始建造，它的“横空出世”凝结着中国科研人员十余年来在可行性研究、工程规划和关键技术突破上的智慧结晶。

其中，HEPS加速器的建设面临着在光源亮度、束流发射度、动力学孔径、束流寿命等关键性能指标之间寻找平衡的巨大挑战。为了追求超低发射度和成量级提高亮度，HEPS在加速器物理和技术上均采取了创新性路径。HEPS的储存环采用混合型多弯铁消色散（MBA）磁聚焦结构——由二极、四极、六极、八极磁铁构成的“磁铁矩阵”。通过增加二极铁的数量减少单块磁铁的偏转角度，配置高梯度四极磁铁来增加聚焦能力，还配合运用了反向偏转二极铁、二四组合磁铁等手段，尽可能压低束流发射度。但这种储存环的物理设计如同在针尖上跳舞：特别是超强六极磁铁的引入使粒子运动的非线性效应显著增强，缩小的动力学孔径又使得束流注入成为瓶颈。

为了突破超低发射度储存环的束流注入瓶颈，HEPS的解决方案彰显了物理学的精妙智慧。科研团队放弃传统的累积注入，采用新颖在轴置换注入。为应对注入束团的产生和耗尽束团的处理等难题，创新性地研发了“基于增强器高能累积”的在轴置换注入技术。这种技术方案的选择，并非出于无奈的创新之举，而是精心权衡后的最优解：在保持约1 mm动力学孔径满足置换注入需求的前提下，最大限度地提升亮度。

该注入技术巧妙利用6 GeV束流的辐射阻尼效应，将增强器创造性地转变为“双向交通枢纽”，既能加速新束团，又能回收利用耗散束团。相比美国APS-U直接丢弃耗散束团的置换注入策略，HEPS的耗散束团经过增强器的重新赋能，得以重返储存环的“主舞台”，实现了束流的循环利用。此项注入技术已于2025年1月成功验证（图B）。“我们正在第四代光源中开创‘绿色’方案。”HEPS工程加速器部副主任焦毅表示。接下来，调试团队将对高电荷量束团填充模式持续攻关，以实现稳定运行——这是第四代光源面临的共性挑战。

 图1 HEPS阶段性进展图

A. HEPS基建和园区工程顺利完成（来源：高能物理所）

B. 2025年1月2日，基于增强器高能积累的在轴置换注入技术在该装置中成功验证（来源：高能物理所）

C. 2025年1月，高能同步辐射光源（HEPS）在储存环中实现93皮米·弧度的束流发射度，达到世界领先水平（来源：高能物理所）

D. 2024年10月12日，HEPS储存环中的W73波荡器发射的第一束同步辐射光，经过光束线调制传输，最终抵达350米之外的硬X射线成像（HXI）实验站（来源：高能物理所）

历经攻坚，截止2025年1月，HEPS储存环束流流强达到了40毫安以上，发射度降低到93皮米弧度，显著提升了各线站实验能力（图C）。

2024年10月12日，W73波荡器产生的高能同步辐射光经过光束线的精确调控，被成功传输至350米外的HXI硬X射线成像实验站（图D)。HEPS的HXI线站体现了高相干性、强穿透力、大视场成像和亚微米分辨率等四大技术优势。它的“大视场-高分辨”双模式成像系统，能够同时满足十厘米级视场与亚微米分辨率的需求，为科研提供了强大的成像能力。“这种‘光之魔法’与先进探测器相结合，正在悄然改变微观物质探索与全脑科学的传统范式。”HEPS工程常务副总指挥董宇辉说。

第四代光源以前所未有的亮度，正在重塑凝聚态物理与材料科学等前沿研究，揭示微观世界中更深层次的奥秘。依托其十纳米级分辨率的独特优势，HEPS将在超轻高强航天材料、癌症早期诊断与精准药物研发、新能源材料等战略领域开启革命性创新进程。与此同时，中国的邻国日本也在积极行动，正大力推进对SPring-8的升级改造工程，旨在将原有亮度提升百倍，打造世界上最好性能的同步辐射光源。

中国正在建设的另一第四代同步辐射光源——合肥先进光源（HALF），与HEPS构成战略互补。HALF装置是基于衍射极限储存环技术的第四代低能量区（2.2 GeV）同步辐射装置，重点聚焦软X射线波段开展观测，在“轻质元素结构、材料电子态/化学态/自旋态变化”研究领域具备独特技术优势。相较之下，HEPS则是6 GeV高能量同步辐射光源，可发射能量高达300 keV的硬X射线，在“大尺寸样品与极端实验条件研究能力”方面展现出显著技术特征。两大科学装置通过能区覆盖与功能定位的协同创新和高度互补，对服务国家发展战略、提升前沿基础科学和尖端科技领域原始创新能力具有关键作用。

责任编辑

陈振跃   同济大学物理科学与工程学院

李   翔   中国科学院紫金山天文台

张志会，中国科学院自然科学史研究所研究员，中国科学院大学人文学院任课教师。于2010年在中国科学院大学获得科学技术哲学博士学位，主要研究领域为中国近现代科学技术史。2017年入选中国科学院青年创新促进会会员。

致 谢：在本文撰写过程中，作者得到中国科学院高能所焦毅、段哲、李明、常广才、董宇辉、李毓、苑梦尧等专家的专业支持，特此致谢。