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【中国科学报】高能同步辐射光源:显微世界的“超级放大镜”

  6月29日,我国第一台高能同步辐射光源、世界上亮度最高的第四代同步辐射光源之一——高能同步辐射光源(HEPS)在北京怀柔科学城动工开建。中科院高能物理所研究员董宇辉表示,HEPS建成后,亮度将比美国的NSLS-II高70倍,比瑞典的MAX IV高10倍。

  同步辐射光源是如何帮助科研人员“看见”物质内部结构的?对于科研实验,是否能量越高就越好?高能同步辐射光源的建成,将给国内用户开展相关实验带来哪些改善?

 探索微观世界的利器

  美国能源部基础能源科学顾问委员研究报告《调控物质和能量:科学的五个挑战及展望》指出,今天人类已处于一个调控时代(Control Age)。通过更精细地认识物质(包括生命物质和非生命物质),在原子甚至电子水平调控物质,使其具有期望的功能和性能,先进光源在其中起着关键的作用。

  随着各国对先进光源的重视度越来越高,众多国家和地区纷纷加码同步辐射装置的建设。据了解,目前世界上大约有50 多台同步辐射装置在运行,我国大陆目前运行的3台均为中、低能光源。

  按照部署,HEPS是我国“十三五”期间优先建设的、为国家的重大战略需求和前沿基础科学研究提供技术支撑平台的国家重大科技基础设施。HEPS整体建筑外形犹如一个放大镜,寓意为探测微观世界的利器。

  北京科技大学新金属材料国家重点实验室教授王沿东告诉《中国科学报》,“在工程材料等领域,高能同步辐射光源比一般同步辐射光源更容易穿透物质,它的能量很容易达到100keV,穿透4~5毫米的钢铁。”

  HEPS一方面有助于解析物质结构生成及其演化的全周期全过程,另一方面可揭示微观物质结构生成演化的机制,剖析微观物质构成,为物质调控提供基础支撑。建成后,HEPS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、德国的Petra-III一起,构成世界五大高能同步辐射光源。

  中国科学院金属研究所研究员李昺说:“HEPS由于建设晚于现有的其他高能同步辐射装置,反而有更多的技术经验等积累,具有‘后发优势’。”

  不必担心辐射问题

  正如我们所知,X射线具有很强的穿透本领,因而是人类探索微观世界流变的探针。同步辐射光源正是产生X射线来测量各种物质的原子结构的“放大镜”。它不同于实验室中制造的X射线,在实验室中,X 射线一般是由X射线管、X 光机产生,能量比较单一、亮度也较弱。而同步辐射装置产生的X 射线具有高亮度、高准直性、良好的相干特性以及从远红外到硬X射线范围的连续光谱等性质,因而被广泛应用于生命科学、环境科学、凝聚态物理和材料科学等领域。

  李昺说,“通常,我们称能量较高的光源为硬X射线,能量较低的为软X射线。”HEPS属于高能光源,具有6GeV的电子能量,发射度小于等于0.06nm×rad,具有世界最高亮度,并且还有进一步提高的空间。

  提到X射线,“辐射”常令人担忧。HEPS是否会对工作人员、公众造成危害呢?

  答案是否定的。实际上,HEPS 对公众影响的剂量限值远低于国家标准。同时,HEPS产生的辐射是瞬发性的,只要加速器一停机,能造成环境影响的主要辐射源即消失,同时也不再引起空气、冷却水的活化。

  此外,HEPS还有完整的辐射防护设计方案,严格的屏蔽墙设计、人身安全联锁与剂量监测系统设计,可保障工作人员与环境安全。

 与我国现有光源形成能区互补

  同步辐射光源按电子能量不同能段分为低能光源、中能光源、高能光源。不同能区的光源用途不同。北京正负电子对撞机上的同步辐射装置、合肥同步辐射装置、上海光源属于中、低能段,目前都在积极运行中。

  HEPS作为高能光源,将与我国现有的光源形成能区的互补。HEPS将满足国家发展战略等研究对高能量、高亮度的X射线的迫切需求,使我国的同步辐射光源向高能区扩展。

  王沿东解释说,“高能同步辐射光源与我国现有光源是互补的,不同能区的光源用途不同,例如对谱学等方面的研究中低能度的光源即可满足实验,能量太高做有些物质/部件成像研究反而看不清内部结构。

  预计未来HEPS 将在我国先进材料、航空航天、能源、环保、医药、石油、化工、生物工程和微细加工等领域广泛应用,提供突破瓶颈问题的关键手段,提升我国国家发展战略与工业核心技术的相关研究水平、基础科学和高技术领域的原始创新能力。例如对新能源页岩油气的研究,利用HEPS 的纳米CT 技术可以对页岩的结构进行具有纳米分辨率的三维成像,为页岩储油储气特性研究提供科学数据。

 助推“卡脖子”技术的突破

  特种材料的结构分析、工程材料的全寿命过程研究等,不但需要高能量、高亮度的X射线,同时还必须在国内开展研究。因此,HEPS对于我国科技发展战略及工业核心创新能力相关的研究至关重要。

  在国家支持重大需求和工程材料方面,HEPS可支持极端条件下材料的结构功能研究、特殊材料的动态高压条件下结构变化实时解析、工程材料的全寿命周期实时动态研究。在前沿科学方面,HEPS还可用于开展小于1μm 尺寸的生物蛋白质晶体结构测定,单个纳米颗粒的实时、原位结构解析,强关联材料的深能级声子谱研究。

  “对于工程材料的研究,我们需要能量高、通量大、分辨率高、聚焦小的光源,一方面可以缩短测量时间,另一方面更小的聚焦有助于更好地开展基础研究。”王沿东说,“某些涉及国家战略需求的实验是无法在国外开展的,国内又很难满足实验要求,高能同步辐射光源的建成将推动我国‘卡脖子’技术的突破。”

  HEPS的建设对国内需要开展相关实验的科研用户而言,无疑是一个重大利好的消息,不仅可以免去在国外做实验的高昂成本,还能为开展前沿研究抢占时间。

  李昺说:“金属材料领域的实验研究需要能量高的光源及好的样品环境。目前国内光源在开展某些实验时很难满足需求,所以只能去国外开展实验。随着高能同步辐射光源的顺利建成,我们将不必再去国外开展相关实验了。”

  王沿东还补充道,“高能同步辐射光源的竞争不完全在指标上,还在于线站、人才等后续建设。未来,也许还有很长的路要走。”

  据了解,HEPS项目建设周期为6.5年,2019-2025年完成工程建设,2025年底验收并投入运行。随着HEPS自身的建设,还将带动和提升众多相关产业的技术进步,产生良好的社会经济效益。

  (原载于《中国科学报》 2019-07-11 第8版 装备制造)

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