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

发布一下 2023年01月15日 14:12 0 0

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SPring-8和德国的PETRA-Ⅲ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、4~8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58~66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。4~8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0.1mSv/a。

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。