中国巨型X光机今年年底试运行：探秘HEPS——照亮微观世界的国之重器

今年年底，北京怀柔科学城将迎来一位“微观世界神探”——高能同步辐射光源（HEPS）。这台被誉为“国之重器”的大科学装置即将启动试运行，它不仅是我国首台高能同步辐射光源，更是世界上设计亮度最高的第四代同步辐射光源，能发出比太阳表面亮万亿倍的“超级光束”。

从空中俯瞰，HEPS的环形建筑酷似一枚巨大的放大镜，而它的“镜片”却是由上万块精密磁铁组成的电子轨道。当电子在环形轨道中以接近光速飞驰，便会辐射出能量极高的X射线，如同为微观世界打开了一扇“透视窗”。科学家们将借助这台“巨型X光机”，首次实现对原子尺度物质结构的“实时直播”：从航空发动机叶片的纳米级缺陷，到新冠病毒 spike 蛋白的折叠机制，从锂电池电极的电荷转移过程到高温超导材料的电子排布规律，都将在它的“目光”下无所遁形。

作为“十四五”期间北京怀柔综合性国家科学中心的核心装置，HEPS的试运行标志着我国在光子科学领域正式迈入世界第一梯队。这台“超级显微镜”不仅将支撑20多个学科领域的原创性研究，更将为我国在航空航天、能源环境、生命医药等战略领域突破“卡脖子”技术提供关键工具。

从上海光源到HEPS，我国同步辐射光源已实现从“跟跑”到“领跑”的跨越。这台“照亮未来的希望之光”，即将让中国科学家在微观世界的探索中，写下更多“从0到1”的突破故事。

项目概述

在北京怀柔科学城的核心区域，一座外形酷似“超级放大镜”的巨型建筑正静静矗立——这就是中国高能同步辐射光源（HEPS），我国第一台高能同步辐射光源，也是亚洲首个第四代同步辐射光源。作为怀柔科学城占地面积最大的大科学装置，HEPS 总占地达 976 亩（相当于 90 个标准足球场大小），总建筑面积约 12.5 万平方米，总投资 48 亿元人民币，是国家重大科技基础设施建设“十三五”规划的重点项目，由中国科学院高能物理研究所承担建设。

从空中俯瞰，HEPS 的“放大镜”造型极具辨识度：“镜框”是周长 1360.4 米的巨型环形建筑，内部容纳核心装置——电子储存环，中间区域可容纳多达 20 个足球场；“手柄”则由综合实验楼和用户服务楼构成，实验大厅内甚至需要工作人员骑自行车代步。这个“超级放大镜”的核心功能，是通过三级加速器系统（直线加速器、增强器、储存环）将电子加速至接近光速，在磁场作用下产生高亮度 X 射线，如同为微观世界打开“探照灯”。其中，储存环作为“放大镜”的核心光学部件，内部分布着 2400 多块磁铁及各类高精尖设备，电子真空孔径仅 22 毫米，却能让电子以 6GeV 能量稳定运行，设计亮度达到世界最高水平。

HEPS 的建设历程堪称“中国速度”的典范。2019 年 6 月项目正式启动，仅用 3 年多时间就完成了复杂的土建工程，目前已顺利完成加速器和第一批 14 条光束线站的建设，预计 2025 年底具备验收条件并启动试运行。这些光束线站如同“放大镜”的“镜片”，可提供纳米探针、非弹散射、相干衍射等前沿实验方法，未来将面向全国科研人员开放，支撑材料科学、生命科学、环境科学等多领域的微观结构研究。

作为世界上设计亮度最高的第四代同步辐射光源之一，HEPS 不仅填补了我国高能同步辐射领域的空白，更将与上海同步辐射设施（SSRF）形成互补，缓解国内科研用户对光束线资源的迫切需求。这个“照亮微观世界的国之重器”，正以“中国精度”和“中国速度”，为人类探索物质奥秘提供全新的“超级显微镜”。

技术亮点

如果把医院的X光机比作照亮房间的手电筒，那么HEPS（高能同步辐射光源）就是能穿透宇宙尘埃的超级探照灯。作为我国首台第四代同步辐射光源，它的核心优势在于亮度——这束“超级X光”的亮度相当于太阳的一万亿倍，比第三代光源高出100倍，更是常规胸片X光机的十万亿倍。这种亮度提升并非简单的“灯光变亮”，而是让人类第一次拥有了观察纳米级微观世界的“超清动态镜头”。

从“模糊黑影”到“纳米CT”：亮度带来的革命性突破

想象一块3毫米厚的不锈钢板，内部隐藏着头发丝万分之一粗细的微小裂纹。传统X光机拍摄的图像可能只是一片模糊黑影，而HEPS的HXI线站却能像高清CT一样，让这些隐形缺陷“无所遁形”。其秘密在于高穿透性与纳米级聚焦能力的结合：高能X射线可穿透深层材料，而微米级准直技术能将光束聚焦到纳米尺度，不仅成像对比度大幅提高，检出裂纹数量也显著增加。这种能力让航空发动机叶片的疲劳裂纹检测、半导体芯片的原子级缺陷分析成为可能，甚至能实时观测蛋白质分子在化学反应中的动态变化。

三大技术突破：中国智造的“微观探测利器”

1. 加速器性能：接近光速的“电子赛车场”

在HEPS的1.36公里环形储存环内，电子被加速至60亿电子伏特（6GeV），相当于每秒绕环23万圈的“超级赛车”。为让这束“电子流”稳定发光，科学家突破了超低发射度物理设计，将电子束尺寸控制在微米级，发射度低至34pm·rad（约头发丝直径的百万分之一），这一指标为国际同类光源最高。同时，自主研发的80T/m高梯度四极磁铁能像精密方向盘一样，让电子束在磁场中精准转弯，技术水平国际领先。

2. 精密制造：纳米级的“太空级标准”

建设HEPS就像在针尖上搭建精密仪器：基座磁铁就位误差需小于25微米（约一粒花粉大小），地面振动振幅必须控制在25纳米以内（仅为原子直径的1/4）。最令人惊叹的是6毫米狭缝真空盒——这个比指甲盖还窄的部件，通过特殊镀膜技术实现了超高真空环境，确保电子束“无阻拦”飞驰，攻克了国际公认的技术难题。

3. 绿色创新：会“回收能量”的光源

不同于传统光源“用完即弃”的电子束处理方式，HEPS独创置换注入机制——将低能电子束重新加速回收，既提高了光束质量，又节省了大量电能。这种“绿色环保”设计让这台“国之重器”在超高亮度与低能耗之间找到了完美平衡。

国际领先：从“跟跑”到“领跑”的跨越

作为世界上设计亮度最高的第四代同步辐射光源，HEPS的性能已超越瑞典Max IV等国际同类装置，其15条光束线站全部成功出光，将为全脑介观成像、航空航天材料检测、蛋白质结构解析等前沿领域提供“中国视角”。从“看清原子”到“捕捉动态化学反应”，这束来自中国的“超级X光”，正照亮人类探索微观世界的新征程。

建设历程

从一张泛黄的论证报告到怀柔科学城地下12米的钢铁矩阵，HEPS的诞生之路镌刻着中国科研人十七载的坚守与突破。这条横跨十余年的时间轴上，既有毫米级精度的技术攻坚，也有”第一束光”点亮时的热泪盈眶，最终成就了这座照亮微观世界的”国之重器”。

蓝图绘就：从概念到破土（2008-2019）

早在2008年，中科院高能所的科研团队就开始论证建设第四代同步辐射光源的必要性——当时我国已有的三代光源虽能满足基础研究需求，但面对材料科学、生命医学等前沿领域对”原子级分辨率”的渴求，更亮、更准的新一代光源成为必然选择。2016年，总投资3.2亿元的验证装置工程启动，科研人员用两年时间攻克了高精度磁铁、超真空系统等”卡脖子”技术，为后续建设打下”坚实可靠的技术基础”。2019年6月29日，随着第一方混凝土浇筑，HEPS在北京怀柔科学城正式破土动工，计划用6.5年时间打造”世界上最亮的X射线光源之一”。

钢铁交响：毫米级的精度较量（2021-2023）

2021年6月28日，当首台科研设备——电子枪（直线加速器的”电子发射器”）精准落位时，工程正式进入设备安装阶段。这场”钢铁积木”游戏的核心挑战，是储存环内1776台磁铁的安装精度——每台磁铁需固定在0.1毫米误差范围内，相当于一根头发丝直径的1/5。2022年9月，中科院高能所团队创新采用”激光跟踪+精密测微”复合技术，完成增强器单元预准直，将位置偏差控制在0.05毫米内。2023年12月11日，最后一台磁铁吊装就位，标志着这座周长1.3公里的”地下光工厂”主体设备安装闭环，比原计划提前3个月。

光的诞生：0.1秒的历史性曝光（2024）

2024年10月12日21时30分，怀柔科学城的地下实验室里，一张黄色感光纸静静等待着。当储存环W73扭摆器发射的高能同步光经350米光束线抵达HXI实验站时，快门按下——0.1秒后，一个清晰的黑色方形光斑在纸上显现，边缘锐利如刀刻。更令人振奋的是，这束光对预制裂纹不锈钢板成像时，竟捕捉到肉眼难辨的多倍微裂纹，分辨率达到纳米级。”就像给微观世界打开了’超清显微镜’！”现场科研人员难掩激动。这张承载着中国光源技术突破的感光纸，如今已被珍藏进国家科学博物馆。

冲刺时刻：从调束到试运行（2025）

2025年3月27日，HEPS启动带光联调，14条光束线站与加速器协同”热身”，开展特色样品实验——从高温超导材料到古生物化石，首批”测试用户”已迫不及待探索微观奥秘。工程团队创造了”一天实现电子首圈注入，三天完成流强提升至40毫安”的调试速度，将发射度（衡量光束质量的核心指标）压低到93皮米弧度，达到国际领先水平。按照计划，2025年11月各线站性能指标将全部达标，12月正式开启试运行，迎接全球科研人员的到来。

从2008年的论证报告到2025年的试运行倒计时，HEPS的建设历程不仅是一部工程技术的突破史，更是中国科研人”十年磨一剑”的精神史诗。当这台”巨型X光机”正式运转时，它照亮的不仅是微观世界的奥秘，更是一个国家在基础科学领域自主创新的光明未来。

应用前景

当这台”超级显微镜”在今年年底启动试运行，它将像一束穿透未来的光，照亮从航空发动机叶片到病毒蛋白的微观世界。HEPS的应用版图几乎覆盖所有与微观结构相关的科学领域，从支撑航空航天安全到加速新药研发，从推动新材料革命到守护能源环境，其带来的技术突破正悄然重塑产业格局与民生质量。

在航空航天领域，HEPS化身”空中安全卫士”。传统X光检测3毫米厚的飞机发动机叶片时，细微裂纹常因成像模糊被忽略，而HEPS的硬X射线成像线站（HXI）能让这些隐患无处遁形——就像用高清CT扫描取代模糊X光片，连头发丝千分之一粗细的瑕疵都清晰可见。更令人惊叹的是，它还能模拟太空极端环境，实时观测涡轮叶片在高温高压下的损伤过程，为航天器轻量化、耐用化设计提供”动态影像资料”。

生物医药领域，HEPS堪称”疾病密码破译者”。同步辐射光源已助力5次诺贝尔奖成果诞生，而HEPS将把这一能力推向新高度：它能给病毒蛋白拍摄”3D高清写真”，解析最小蛋白质晶体的原子排列，甚至追踪病毒在活体细胞内的复制路径。这意味着阿尔茨海默病、癌症等疑难杂症的致病机理可能被逐一揭开，就像在黑暗中找到了开锁的钥匙，为靶向药物研发提供精准导航。

新材料研发领域，HEPS是”原子级设计师”的得力助手。传统技术观察纳米材料如同雾里看花，而HEPS能看清半导体芯片里比头发丝细千倍的电路排布，甚至记录原子在极端条件下的”舞蹈轨迹”。比如在高温超导材料研究中，它能捕捉电子运动的瞬态状态，就像用高速摄像机拍摄”原子电影”，帮助科学家设计出更高效的能源材料、更耐用的高强合金。

能源与环保领域，HEPS则是”绿色技术加速器”。它能给催化剂反应过程”直播”——实时观察新能源电池中离子的迁移路径，或捕捉污染物在催化剂表面的分解瞬间，就像给化学反应装上”慢动作镜头”。这些微观机理的突破，将直接推动固态电池、碳捕捉技术的产业化，让电动汽车续航翻倍、工业废气变废为宝的梦想照进现实。

从给原子拍电影到给病毒画肖像，HEPS不仅是科学家的”超级显微镜”，更是推动产业升级的”技术引擎”。当它在年底正式”睁开眼睛”，我们或许还无法立刻感知它的存在，但它催生的新材料、新药物、新技术，终将悄然改变我们的生活——这就是国之重器真正的力量：于无声处，照亮未来。

国际地位

在全球尖端科研设施的版图上，中国高能同步辐射光源（HEPS）正以耀眼的”中国坐标”重新定义世界同步辐射光源的格局。作为亚洲首个第四代同步辐射光源，HEPS不仅填补了我国高能同步辐射领域的空白，更以”世界最亮X射线”的硬核实力，与美国先进光子源（APS）、欧洲同步辐射装置（ESRF）、日本SPring-8、德国PETRA-III共同构成全球五大高能同步辐射光源矩阵，标志着我国在这一战略领域正式跻身国际第一梯队。

全球性能对标：用数据定义”领先”

HEPS的”世界领先”绝非泛泛之谈，而是建立在实打实的性能突破上。其设计亮度比第三代光源（如上海同步辐射装置）高出两个数量级（百倍以上），时间分辨率和相干性实现跨越式提升，甚至超越了瑞典Max IV等现有第四代光源，成为目前全球设计亮度最高的同步辐射装置。与国际同类高能光源相比，HEPS在关键技术指标上展现出独特优势：

这种领先不仅体现在单一指标上，更在于全链条技术突破：从磁铁精度到准直技术，从166MHz低频超导腔到超高真空系统，HEPS多项核心技术达到国际领先水平，为全球科学家提供了前所未有的实验条件。

开放共享：大国科技的全球担当

HEPS的意义远不止于”中国第一”，更在于其作为全球科研共同体的公共平台价值。建成后，它将与美国LCLS-II、上海硬X射线自由电子激光（SHINE）等装置形成互补，吸引全球顶尖科学家开展实验，推动光子科学领域的国际合作[24][24]。这种开放共享的姿态，不仅能提升我国在国际科研领域的话语权，更将加速人类对微观世界的认知边界——正如上海光源曾改变我国结构生物学家依赖国外设施的局面，HEPS有望让中国成为全球同步辐射研究的”新引力中心”。

从追赶者到规则制定者，HEPS的诞生不仅是中国科技自立自强的里程碑，更是人类探索未知世界的共同财富。当这台”超级X光机”在今年年底试运行时，它照亮的不仅是微观粒子的运动轨迹，更是一个民族在基础科学领域自信前行的道路。

专家解读

“这台形似‘放大镜’的巨型装置，本质上是一台具有超精密、超快、超穿透能力的‘超级显微镜’。”HEPS工程总指挥、中科院高能物理研究所研究员潘卫民这样形容这个总建筑面积达12.5万平方米的大国重器。在科学家眼中，HEPS的价值远不止“大”——它能让人类在纳米尺度“看清”物质的微观结构，就像从“用手电筒摸索”升级到“探照灯精准照射”，实现研究范式的革命性突破。

从“雨伞洒水”到“十万亿倍亮度”：用生活逻辑读懂尖端科技

同步辐射光源的原理，被潘卫民比作“雨中旋转雨伞时水珠沿切线飞出”——接近光速运动的带电粒子在曲线轨道上“甩”出的同步辐射光，成了探测微观世界的利器。与医院拍胸片的X光机相比，HEPS的亮度达到惊人的十万亿倍，比第三代同步辐射光源高出100倍，甚至是太阳亮度的100万倍。

科学家眼中的“科研神器”：多领域突破的幕后推手

HEPS的6GeV电子能量能产生300keV高能X射线，像一把“超级手术刀”穿透厚重样品。常务副总指挥董宇辉以HXI线站为例：“它能给飞机发动机叶片做‘三维CT’，看清内部微米级缺陷；也能给大脑神经元‘拍3D全息照’，助力阿尔茨海默病研究。”这种“穿透力+高分辨率”的组合，让生物医药、纳米技术等领域的科学家期待已久。

加速器物理系统负责人焦毅补充道：“储存环里的电子以近光速转圈，每圈仅需4.3微秒。我们要把直径22毫米的真空管道精度控制在1-2毫米内，任何微小偏差都会让‘光的轨迹’跑偏。”这种“绣花针穿丝线”般的精度要求，让团队在带光联调时创下40毫安流强的调试纪录。

从“胶片上的光斑”到“国际舞台”：科研团队的十年攻坚

2024年10月12日21:30，董宇辉团队用橙色胶片记录下HEPS第一束光的印迹——一个清晰的黑色方形光斑。“那一刻我们知道，系统活了！”他至今记得当时实验室里的欢呼。而在此之前，团队已攻克6毫米狭缝真空盒镀膜等国际难题，实现核心设备100%国产化。

潘卫民将HEPS的意义升华为“开放共享的科学平台”：“12月试运行后，全球科学家都能申请使用。它不仅是中国的‘国之重器’，更是人类探索微观世界的共同工具。”从北京同步辐射装置解析SARS病毒，到HEPS照亮纳米世界，中国科学家正用“光”的力量，为人类知识边界写下新注脚。

未来规划

当 HEPS 于 2025 年底启动试运行，这座”超级显微镜”的使命才刚刚开始。作为怀柔科学城向全球开放的大科学装置之一（目前已有 16 个科技设施面向世界科研团队），它将与上海光源、南方先进光源等形成互补，共同构建我国光子科学研究的”黄金三角”，缓解同步辐射实验平台的供需压力。这种开放共享的基因，注定让 HEPS 成为连接全球智慧的桥梁——未来这里将常年活跃着国内外科研团队，在 90 条光束线站组成的”科学实验室矩阵”中探索微观世界的奥秘。

从 14 条到 90 条：光束线站的”成长路线图”

HEPS 的”野心”不止于当下。这座总建筑面积达 12.5 万平方米的科学装置，首批将建成 14 条光束线站，但这只是起点。根据规划，其光束线站规模将分阶段扩展：”十五五”期间（2026 – 2030 年）达到 45 条，2035 年预计突破 60 条，其中 10 条左右将达到世界领先水平，最终实现设计容量 90 条以上。这意味着，未来至少 90 个科研团队可同时在此开展实验，从材料结构分析到生物分子成像，从航空航天部件检测到新药研发，不同领域的科学家将共享这束”超级X光”。

五十年的科学承诺：可持续发展与全球影响力

HEPS 的设计寿命为 30 年，但通过持续升级改造，其工作寿命有望延长至 50 年甚至更久。这种”长效机制”确保它能跟上科技变革的步伐——从优化加速器束流品质到开发定制化光束线，从深化能源、生命科学等领域应用到探索多渠道投资模式，HEPS 正朝着”具有全球影响力的综合性科学研究中心”目标迈进。

作为国家重大科技基础设施，HEPS 不仅将提升我国在先进材料、生物医药等领域的原始创新能力，更将推动全球同步辐射技术的发展。未来，当科学家在这里揭开高温超导材料的微观机理，或是看清病毒蛋白的三维结构时，这座”国之重器”将真正实现”照亮微观世界，赋能人类未来”的初心——它不仅是中国科技的里程碑，更是全人类探索未知的共同平台。

结语

从中国同步辐射光源的蹒跚起步，到第四代 HEPS 的即将落成，这条跨越数十年的追光之路，凝聚着 2000 余名建设者 5 年多的攻坚汗水，更镌刻着我国科技实力从跟跑到并跑再到领跑的奋进轨迹。当这台“巨型 X 光机”在今年年底正式试运行，它所绽放的“中国之光”不仅填补了我国高能同步辐射领域的空白，更以世界最高亮度的“超级显微镜”之姿，为航空航天、生物医药、新材料研发等战略领域装上了“透视眼”，成为支撑我国从“科技大国”迈向“科技强国”的国之重器。

更深远来看，HEPS 不仅是中国的“重器”，更是人类探索自然奥秘的共同阶梯。作为怀柔科学城世界级原始创新承载区的核心设施，它将向全球科学家开放共享，为揭示物质最深层结构、破解能源环境与生命健康的重大难题贡献中国智慧。从照亮微观世界的“超级显微镜”，到驱动文明进步的“创新引擎”，这束穿透物质本质的强光，终将成为人类探索未知的钥匙，照亮中华民族伟大复兴的创新之路。当微观世界的奥秘被逐一揭开，我们有理由相信：科技自立自强的根基，正由此深深扎根；面向未来的无限可能，正由此徐徐展开。