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HEPS高能同步輻射光源：照亮材料微觀世界之光

來源：時(shí)間：2022-07-15 10:39:21 瀏覽：2507次

HEPS是國家“十三五”重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，HEPS項(xiàng)目由加速器、光束線站及配套設(shè)施等組成，其總建筑面積約12.5萬平方米，主體環(huán)形建筑周長約1.5千米，坐落在北京雁棲湖畔的懷柔科學(xué)城，如同放大鏡的鏡框放置在群山環(huán)繞之中。HEPS項(xiàng)目安裝有儲(chǔ)存環(huán)加速器、光學(xué)元件、衍射儀等科學(xué)儀器。其中的儲(chǔ)存環(huán)里，分布著2400多塊磁鐵及各類高精尖設(shè)備。

HEPS高能同步輻射光源項(xiàng)目

“同步輻射是指接近光速的帶電粒子在做曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)沿切線方向發(fā)出的電磁輻射，也叫作同步光。為了研究材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)與變化的過程，科研人員需要借助強(qiáng)力的科研裝置進(jìn)行探測解析。”中科院高能物理研究所副所長、HEPS工程常務(wù)副總指揮董宇輝研究員說，作為研究物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的平臺(tái)，HEPS能對物質(zhì)內(nèi)部進(jìn)行多維度掃描，“HEPS運(yùn)行的首要目標(biāo)，就是提供高能、高亮度的硬X射線。”

產(chǎn)生X射線的常見方式有兩種：一是用加速后的電子轟擊金屬靶，產(chǎn)生X射線；二是在同步輻射裝置中，當(dāng)電子以接近光速的速度“飛行”時(shí)，會(huì)在磁場作用下發(fā)生曲線運(yùn)動(dòng)，沿著彎轉(zhuǎn)軌道切線方向發(fā)射連續(xù)的電磁輻射。 “這就像下雨時(shí)，我們快速轉(zhuǎn)動(dòng)雨傘，沿著雨傘邊緣的切線方向會(huì)飛出一簇簇水珠。”董宇輝說，與常規(guī)X射線相比，同步輻射光源產(chǎn)生的同步輻射光頻譜更寬、亮度更高、相干性和準(zhǔn)直性更好。

同步輻射光源根據(jù)加速器中電子的能量，可以分為低、中、高三種，各有側(cè)重。董宇輝介紹，HEPS側(cè)重于對微觀結(jié)構(gòu)及演變的多維度、實(shí)時(shí)、原位表征，可用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)單晶葉片等工程材料結(jié)構(gòu)的多維度表征和1微米量級(jí)蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)演變表征等。“作為探測物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探針，X射線的光源亮度是最為關(guān)鍵的指標(biāo)——更高的亮度能將物質(zhì)內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)‘看’得更清楚。因此，獲得更高亮度的X射線源一直是科學(xué)家孜孜以求的目標(biāo)。”

多年來，我國持續(xù)發(fā)展同步輻射光源，有力支撐了國內(nèi)基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展。但我國目前所擁有的同步輻射裝置均處于中、低能區(qū)，能區(qū)地域分布、光譜亮度等還滿足不了經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家戰(zhàn)略需求。建設(shè)更高亮度的第四代高能同步輻射光源，成為潘衛(wèi)民、董宇輝等我國當(dāng)代“追光人”的一大愿望。

HEPS項(xiàng)目建設(shè)歷程：

2008年，HEPS科研團(tuán)隊(duì)就開始對我國建設(shè)HEPS的必要性和可行性進(jìn)行論證。此后經(jīng)過近十年攻關(guān)，科研人員成功完成關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和樣機(jī)研制任務(wù)，具備了建設(shè)先進(jìn)高能同步輻射光源的能力。

2019年6月，HEPS開工啟動(dòng)，建設(shè)周期6.5年，預(yù)計(jì)將于2025年12月底竣工。建成后，它將在材料科學(xué)、化學(xué)工程、能源環(huán)境、生物醫(yī)學(xué)、航空航天等眾多領(lǐng)域大顯身手。

2021年6月28日，HEPS首套科研設(shè)備——電子槍（直線加速器端頭，即加速電子產(chǎn)生的源頭）安裝完成，標(biāo)志著HEPS工程正式進(jìn)入設(shè)備安裝階段。

目前，HEPS各建筑單體已陸續(xù)交付設(shè)備安裝?？梢灶A(yù)見，3年后，全球“最亮”的光源將照亮微觀世界物質(zhì)的結(jié)構(gòu)奧秘。

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