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6月28日上午,由国家发展改革委立项支持、中国科学院高能物理研究所承担建设的高能同步辐射光源(HEPS)首台科研设备在北京安装,这一大科学装置建成后将是中国首个高能量同步辐射光源,成为世界上亮度最高的第四代同步辐射光源之一,为基础科学和工程科学等领域原创性、突破性创新研究提供重要支撑平台。

高能同步辐射光源计划2025年9月开始试运行,2025年年底建成提交国家验收申请。截至2021年6月底,高能同步辐射光源建安工程约完成总工程量的70%,设备采购完成合同额的29%。预计2022年初,主要建筑单体交付使用,届时高能同步辐射光源将全面转入设备安装阶段。

中国首个高能同步辐射光源开始安装

攻克世界级挑战满足前沿新需求

首台安装的加速器设备——电子枪,位于高能同步辐射光源直线加速器端头,是加速电子产生的源头,采用全国产技术,自主设计、国内加工。电子枪由枪体、陶瓷桶、防晕环、阴栅组件四大部件构成,其中阴栅组件是电子枪的关键“卡脖子”部件。

高能同步辐射光源工程总指挥潘卫民介绍称:“高能同步辐射光源面临众多世界级的挑战,实现了一批关键技术的突破,如今已从样机阶段走向批量生产阶段,大部分系统进入批量研制,前端即将转入设备安装环节。”

潘卫民表示,高能同步辐射光源的建设由加速器、光束线站以及配套设置等内容组成。按照计划,2024年第一束同步光将出束;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。

“从第三代迈向第四代光源不仅仅是技术参数上的提升,而是技术上的飞跃。”中国科学院高能物理研究所副所长、高能同步辐射光源装置负责人董宇辉介绍道。

他表示,中国新建的高能同步辐射装置的特点是高能量和高亮度,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,以及基础科学前沿研究的需求。

我国的高能同步辐射光源建成后,将与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,并支持包括能源、材料、生物、环境等各个领域的基础科研。

潘卫民介绍道,新一代的同步辐射光源在加速器技术和物理设计方法上都挑战了极限。

具体而言,这些技术包括超导高频腔,能够将四分之一波长结构用于加速光速粒子的主动式超导腔,提供百千瓦量级的微波功率,这在国际上没有先例;此外,插入件解决方案也为国际首创。其他挑战包括使用新的实验技术,包括相干X射线衍射成像、X射线光子相关谱、纳米探针、高能X射线探针等技术。

在谈到在关键“卡脖子”技术方面的突破时,潘卫民表示,高能所自主研发了阴栅组件、数字BPM电子学等一些关键核心技术。

“这些技术一些研究所进口不了,也买不到。”他说道,“在中科院支持下,我们经过几年攻关,目前阴栅组件技术基本到达进口产品水平;BPM电子学技术也与国外产品性能相当,能实现0.1微米精度测量,此外,像素阵列探测器研发也达到国际先进水平。”

探索细微物质结构的“显微镜”

中国科大微尺度国家研究中心教授、国家同步辐射实验室主任封东来将HEPS比喻成一个能够探索细微物质结构的“显微镜”。“四代光源在亮度和相干性方面有了巨大提升,可以更清楚地看清微观世界,用途非常广泛。”封东来表示。

事实上,在高能同步辐射光源建成前,中国已经在各地拥有多个先进光源,包括北京的第一代同步辐射光源、上海光源、上海软X射线自由电子激光以及合肥先进光源等,这些光源所应用的研究领域有所不同。

中科院上海高等研究院副院长、上海光源科学中心主任赵振堂表示:“在高能同步辐射光源投入运行之前和之初,上海光源仍然是主力。未来5~10年将是上海光源运行的黄金期,线站数量将达到基本饱和。”

上海光源作为第三代同步辐射光源,目前已建成15条光束线与19个实验站,也是我国用户和成果最多的大科学装置。截至2019年底,已有来自全国各地544家单位约2900个课题组的25000多名研究人员来此开展实验。

赵振堂表示:“目前第四代软X射线光源已经建成,未来将会和上海光源联合开发运行,此外,硬X射线自由电子激光也在建设中,总投资超过100亿元。未来可以把自由电子激光和相干辐射概念结合到同步辐射光源,把光变成相干光,提高亮度。”

据了解,上海的软X射线自由电子激光近日获得首批数据,研制使用步入国际先进水平。“张江集聚了光源的大科学装置平台设施集群,这研究设施的组合,能为我国科技发展提供先进工具和支撑平台。”赵振堂表示。

建成以来,上海光源支持用户在物理、材料、能源与催化、生命与健康等诸多领域聚焦研究重大基础科学前沿问题和关键核心技术问题,取得了一批重大成果。

赵振堂强调,上海光源在生命科学领域的研究发挥了重要作用,尤其是对于制药和基于结构分析的药物研制和筛选来说意义重大,这也有助于整体提升我国同步辐射光源的应用水平。“新冠重组疫苗和新冠中和抗体药物的结构研发都使用了上海光源的平台。”赵振堂透露道,“第三代同步辐射光源已成为助力科学家解决关键科学技术问题的利器。”

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