HEPS全景圖。圖片來源：中國科學(xué)院高能物理研究所

科技日報記者?劉霞

在距離北京市中心約50公里、位于懷柔的環(huán)形高能同步輻射光源（HEPS）內(nèi)，研究人員正在對數(shù)千個部件進(jìn)行微調(diào)。這些部件將產(chǎn)生最明亮的X射線，可實(shí)時揭示樣本分子和原子結(jié)構(gòu)。

HEPS團(tuán)隊希望今年6月底前完成真空室系統(tǒng)的安裝工作，該系統(tǒng)是確保開始調(diào)束的不可或缺的重要系統(tǒng)。

5月13日，英國《自然》雜志網(wǎng)站報道了中國即將竣工的HEPS。文章指出，耗資48億元的HEPS將是亞洲首個此類光源。它使中國成為世界上僅有的幾個擁有第四代同步加速器光源的國家之一。HEPS有望于2025年向研究人員開放。

瑞典同步加速器輻射設(shè)施MAX IV實(shí)驗室加速器部門負(fù)責(zé)人佩德羅·費(fèi)爾南德斯·塔瓦雷斯認(rèn)為，HEPS是一個頂尖裝置，將助力杰出的科學(xué)研究工作。

超高分辨率呈現(xiàn)納米級樣本微觀結(jié)構(gòu)

在HEPS周長為1.36公里儲存環(huán)內(nèi)，電子將被加速到6000兆電子伏特。這將產(chǎn)生高能或“硬”X射線，使科學(xué)家可以在納米尺度上探測樣本。

HEPS團(tuán)隊成員、中國科學(xué)院高能物理研究所線站科學(xué)家陶冶指出，利用第四代光源高相干特性，研究人員能在數(shù)百納秒或更快時間尺度上完成動力學(xué)探測，時間分辨率將是第三代同步加速器的10000倍。

當(dāng)HEPS于2025年向研究人員開放時，科學(xué)家將借助其14條束線發(fā)出的X射線，開展生物醫(yī)學(xué)、能源、先進(jìn)材料和凝聚態(tài)物理等學(xué)科的實(shí)驗。HEPS預(yù)計可以容納多達(dá)90條束線。陶冶表示，這個環(huán)形設(shè)施將“影響除數(shù)學(xué)以外的幾乎所有科學(xué)領(lǐng)域”。

例如，為了確定蛋白質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)，研究人員需要純化這些分子，并將其誘導(dǎo)成有序的晶體結(jié)構(gòu)，而X射線可以讓這些晶體結(jié)構(gòu)可視化。

塔瓦雷斯解釋稱，較老的同步加速器幾乎不可能研究較小的蛋白質(zhì)晶體，但HEPS產(chǎn)生的“硬”X射線將足夠強(qiáng)大，能對最微小樣本進(jìn)行詳細(xì)分析。新的同步加速器還將使研究人員快速完成其“前輩”需要幾天才能完成的實(shí)驗。

更亮光束加深對物質(zhì)性質(zhì)的理解

目前，世界各地約有70個同步加速器正在建設(shè)或運(yùn)行中，但只有少數(shù)屬于第四代同步加速器“家族”。這些設(shè)施能產(chǎn)生最明亮、最聚焦的光。其中包括瑞典的MAX IV實(shí)驗室、巴西的同步加速器光源“天狼星”、法國的歐洲同步輻射裝置的極端明亮X射線源，以及美國的先進(jìn)光子源。

中國科學(xué)院高能物理研究所物理學(xué)家、HEPS工程副總指揮李煜輝表示，HEPS不是在現(xiàn)有設(shè)施的基礎(chǔ)上建造，而是從頭開始建造。

巴西“天狼星”實(shí)驗室主任哈里·韋斯特法爾表示，像HEPS這樣的第四代同步加速器是依靠多彎消色差晶格的磁鐵陣列來產(chǎn)生比前一代設(shè)施更窄、更亮的X射線束。HEPS將產(chǎn)生世界上最窄的電子束，研究人員能夠借此從樣本中獲得更多的信息。

韋斯特法爾補(bǔ)充道，這種高分辨率成像將極大促進(jìn)科學(xué)家對物質(zhì)性質(zhì)的理解以及新材料的開發(fā)。