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(bào)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(gè)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(shí)揭示樣本分子和原子結(jié)構(gòu)。

HEPS團(tuán)隊(duì)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(bào)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(gè)此類光源。它使中國成為世界上僅有的幾個(gè)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(yàn)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(gè)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(jí)樣本微觀結(jié)構(gòu)

在HEPS周長為1.36公里儲(chǔ)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(duì)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(shí)間尺度上完成動(dòng)力學(xué)探測，時(shí)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(shí)，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(yàn)。HEPS預(yù)計(jì)可以容納多達(dá)90條束線。陶冶表示，這個(gè)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(yàn)。

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(gè)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(yàn)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(yàn)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)。