有一束“光”，照亮过去和未来丨同步辐射光源在中国

出品：科普中国

作者：子乾

监制：中国科普博览

一席之地，BEPC艰辛创业路

四代同堂，HEPS续写新辉煌

同步辐射从最初被发现到现在已经有70多年的历史了，从最初被“厌恶”，到现在被“追捧”，人们对同步辐射的态度也发生了巨大的转变。最初的同步辐射光源是“寄生”在粒子对撞机上的，是在现有粒子加速器的基础上开展同步辐射研究，这是我们说的第一代的同步辐射光源。第二代光源是专用同步辐射光源，不再依赖于粒子对撞机以及粒子物理的研究。第三代光源是使用了大量的插入件，这提高了同步辐射的性能。目前，同步辐射光源已经发展到了第四代。

中国同步辐射也经历了四代的发展。彼时，1977年，同步辐射装置的建造被列入全国科学技术发展规划；此时，2023年3月14日，“十三五”国家重大科技基础设施、中国的第四代同步辐射光源——高能同步辐射光源（HEPS）直线加速器满能量出束，成功加速第一束电子束，这是HEPS装置建设的又一重要里程碑，也是中国同步辐射发展历程中的一个重要里程碑。本期就来说说中国同步辐射光源的发展历程。

HEPS直线加速器隧道内

（图片来源：中国科学院高能物理研究所）

第一代：北京同步辐射装置——“寄生”在北京正负电子对撞机上的光源

1972年8月，张文裕等18位科技工作者给周恩来总理写信，反映对发展中国高能物理研究的意见和希望。1972年9月11日，周恩来总理在复信中指示：“这件事不能再延迟了…高能物理研究和高能加速器的预制研究、应该成为科学院要抓的主要项目之一。”1988年10月，北京正负电子对撞机在中国科学院高能物理所建成。三年后，也就是1991年，北京同步辐射装置（Beijing Synchrotron Radiation Facility，BSRF）也建立起来。同步辐射从多个点上，沿着切线方向被引出来，相应的实验室也围绕加速器建立起来。

周总理回信

（图片来源：中国科学院高能物理研究所）

在建成之初，北京同步辐射装置就对用户开放，研究内容涉及材料科学、凝聚态物理、化学、化工、生命科学、医学、地矿、资源、环境科学、微电子和微机械技术等不同的学科和领域，运行30多年以来，已经产出了许多重要的科研成果。最重要的成果之一是，2003年开春“非典”（SARS）在全国迅速扩散，研究抗SARS病毒的药物迫在眉睫，2003年6月，清华大学饶子和教授领导的课题组，在2002年底建成的国内第一条蛋白质晶体结构研究光束线和实验站，破解出SARS 冠状病毒主蛋白酶的晶体结构，随后利用同步辐射实验得到了有效的药物靶分子，为研制治疗SARS 病毒的药物提供了重要信息。

作为我国第一个建成并投入使用的大型同步辐射装置，北京同步辐射装置到现在已经成功运行30多年了，虽然是第一代同步辐射光源，但经过不断地改进和升级，其性能已经接近第二代同步辐射光源。如今，这台“落后”的光源依然在不断地产出成果，可谓是老当益壮！

北京同步辐射装置光束线和试验站示意图

（图片来源：http://bsrf.ihep.cas.cn/keyanchengguo/nianbao/201507/P020150713624664899951.pdf）

第二代：合肥同步辐射光源——专门为同步辐射的应用而设计

第一代同步辐射光源的主要缺点是其“寄生”在粒子加速器上，而粒子加速器的主要任务是要进行高能物理实验，不能按同步辐射的要求进行运转，实际能够进行实验的机时受很大限制。所以北京同步辐射装置一年只有3个月左右的用光时间，远不能满足科研的需求。这时，中国的第二代同步光源——合肥同步辐射光源，就是专门为同步辐射的应用而设计的。

实际上，合肥同步辐射光源跟北京同步辐射光源基本上是同时建设的，于1989年建成出光，这也是我国第一台自主建设的专用同步辐射光源，其优势能区为真空紫外和软X射线波段，电子束流能量最高到0.8GeV，自然发射度小于40nm•rad（虽然我们希望所有的电子都在储存环内相同的轨道上运动，但现实中总会有偏差，真实的电子大多偏离理想轨道，因此电子束团就有一定的大小和发散角度，这二者的乘积就被称为“发射度”，显然，发射度越小，意味着光线越集中，光源性能越好）。

虽然是第二代光源，但毕竟建设时间比较早，与北京同步辐射装置一样，合肥同步辐射光源的性能和提供的机时都远远不能满足科研需求。另外，合肥光源的能量较低，主要进行真空紫外与软X射线的研究，不能产生硬X射线。

合肥光源同步辐射大厅

（图片来源：中国科学技术大学国家同步辐射实验室）

合肥同步辐射光源储存环一角

（图片来源：中国科学技术大学国家同步辐射实验室）

第三代：上海同步辐射光源——低发射度、大量采用插入件的专用光源

到了20世纪90年代，第三代同步辐射光源已经在国际上出现了，这一代光源大量使用了插入件——一系列周期排列的南北极相同的磁铁组，光源的发射度非常小，数量长期稳定，亮度十分高，而且在偏振与相干性方面的品质也很优越。

2004年12月，上海同步辐射光源开工建设，2009年开放运行，这是中国大陆第一台中能第三代同步辐射光源（位于中国台湾的第三代光源——台湾光源于1994建成）。上海光源把电子束流的能量提高到了3.5GeV，而发射度则降低到了 4 nm•rad，远远低于合肥光源。

上海同步辐射光源

（图片来源：上海张江先进光源大科学装置集群）

除了上海光源，英国的DIAMOND、法国的SOLEIL、西班牙的ALBA、美国的NSLS-II等也都是有代表性的第三代中能同步辐射光源。

2020年初，我国科研人员借助上海光源率先解析了新冠病毒关键蛋白的高分辨结构。

新冠主水解酶蛋白与N3 复合物晶体结构

（图片来源：现代物理知识杂志 https://www.ccnta.cn/article/8242.html）

第四代：高能同步辐射光源——更亮度的光照亮微观世界

目前，国际上已经发展到了第四代同步辐射光源，这一代光源基于衍射极限储存环技术，电子束发射度比上一代降低1-2个数量级，接近甚至达到X射线的衍射极限发射度，而平均亮度则更高。实际上，直到2010年左右，衍射极限储存环的关键物理与技术取得突破，才使得衍射极限储存环的实现成为可能。巴西的Sirius、欧洲的 ESRF-EBS、美国的APS-U等都属于第四代光源。目前正在

建设的位于北京怀柔的高能同步辐射光源（High Energy Photon Source，HEPS）就是第四代同步辐射光源。HEPS由国家发展改革委批复立项，中科院高能所承担建设，为“十三五”国家重大科技基础设施，2019年年中完成所有前期准备工作，6月29日开工启动，建设周期约6.5年，预计2025年底竣工验收。

高能同步辐射光源（HEPS）是一台电子能量为6GeV，发射度小于等于0.06 nm·rad的高性能高能同步辐射光源，其首要目标为提供高能、高亮度的硬X射线，这是为了满足国家发展战略相关研究的需求，诸如航空发动机材料、核材料研究必须依靠这种高性能的X射线。同时，也将为工业领域与基础科学领域提供更好的支撑平台。建成后，这将是将是中国拥有的第一台高能量同步辐射光源，也将是世界上亮度最高的第四代同步辐射光源之一，将和我国现有的光源形成能区互补，对提升我国国家发展战略与前沿基础科学和高技术领域的原始创新能力具有重大意义。

高能同步辐射光源（效果图）

（图片来源：中国科学院高能物理研究所）

2023年3月14日，高能同步辐射光源（HEPS）直线加速器满能量出束，成功加速第一束电子束，这是高能同步辐射光源的一个重要里程碑！

除此之外，中国科学技术大学国家同步辐射实验室提出的合肥先进光源（Hefei Advanced Light Facility，HALF）也是第四代光源，其概念为一台低能区的第四代储存环光源，预计2027年建成。届时，合肥先进光源将成为拥有最高亮度的全辐射谱段空间相干性衍射极限光源。同时，依托合肥先进光源，将扩展建设先进的低能区自由电子激光装置以及世界唯一的太赫兹储存环光源，从而共同构成“合肥先进光源”集群，成为国际上在低能区最领先的光源中心，面向国内外科学家开放，为量子信息、能源与环境、生命科学等领域前沿研究提供公共平台。

合肥先进光源效果图

（图片来源：中国科学技术大学）

从“寄生”在北京正负电子对撞机上的北京同步辐射装置，到国际领先的高能同步辐射光源，中国在同步光源领域走过了不平凡的30年。作为第一台光源，北京同步辐射装置仍然还在运行；而作为最新的光源，高能同步辐射光源只是一个开始。更多的科学发展，让我们充满期待！