粒子加速器作為一種通過(guò)人工方法產(chǎn)生高速帶電粒子的大科學(xué)裝置，在世界科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程中發(fā)揮著非常關(guān)鍵的作用。作為利用相對(duì)論電子產(chǎn)生同步輻射的粒子加速器，同步輻射光源迄今已歷經(jīng)4代的發(fā)展，在基礎(chǔ)科學(xué)研究和應(yīng)用科學(xué)領(lǐng)域扮演越來(lái)越重要的角色。

近10年來(lái)，世界各國(guó)積極開(kāi)展第四代同步輻射光源的設(shè)計(jì)與建設(shè)。發(fā)展新一代光源，對(duì)于服務(wù)國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，滿(mǎn)足基礎(chǔ)科學(xué)前沿研究需求，以及在激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)有利地位均有至關(guān)重要的意義。截至2024年，全球范圍內(nèi)已建成、正在建設(shè)或即將建設(shè)的第四代同步輻射光源達(dá)10余臺(tái)。

我國(guó)正在北京與合肥分別建設(shè)高能同步輻射光源（HEPS）和合肥先進(jìn)光源（HALF），二者分別定位為具有世界先進(jìn)水平的高能區(qū)和低能區(qū)的第四代同步輻射光源。其中HEPS作為中國(guó)也是亞洲首個(gè)第四代同步輻射光源項(xiàng)目，已取得了多項(xiàng)里程碑進(jìn)展，受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注。

那么我國(guó)粒子加速器的發(fā)展現(xiàn)狀如何？第四代同步輻射光源的技術(shù)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)有哪些？HEPS的設(shè)計(jì)建設(shè)歷程是怎樣的？《科技導(dǎo)報(bào)》新媒體就此專(zhuān)訪了中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員焦毅。

焦毅

中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)。研究員，研究方向?yàn)榧铀倨魑锢怼?/p>

問(wèn)：可否簡(jiǎn)要為我們介紹下我國(guó)粒子加速器大科學(xué)裝置的現(xiàn)狀及應(yīng)用場(chǎng)景？

答：我國(guó)已建成包括北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（BEPC）、合肥同步輻射裝置（HLS）、蘭州重離子加速器（HIRFL） 和上海同步輻射光源（SSRF）等粒子加速器大科學(xué)裝置。這些裝置的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，可覆蓋高能物理、核物理、同步輻射應(yīng)用等領(lǐng)域。其中，BEPC兼具對(duì)撞機(jī)與同步輻射光源功能，支撐了τ輕子質(zhì)量精確測(cè)量、SARS病毒蛋白酶結(jié)構(gòu)解析等突破性成果；SSRF作為我國(guó)大陸唯一的一臺(tái)第三代中能同步輻射光源，為材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等提供高亮度X射線，服務(wù)于全國(guó)數(shù)百個(gè)科研團(tuán)隊(duì)；此外，在建的HEPS（我國(guó)第一臺(tái)高能區(qū)同步輻射光源，也是我國(guó)及亞洲第一臺(tái)第四代同步輻射光源）與HALF（低能區(qū)第四代同步輻射光源）將實(shí)現(xiàn)我國(guó)同步輻射能區(qū)全覆蓋，進(jìn)一步滿(mǎn)足能源環(huán)境、先進(jìn)材料等前沿研究需求。

問(wèn)：第四代同步輻射光源相比前三代，核心技術(shù)突破體現(xiàn)在哪些方面？

答：第四代光源的核心突破體現(xiàn)在加速器設(shè)計(jì)的革新上，特別是采用了緊湊型多彎鐵消色散結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)通過(guò)增加彎轉(zhuǎn)磁鐵數(shù)量，并采用強(qiáng)橫向聚焦，將電子束自然發(fā)射度降至0.01–0.1nm·rad，較第三代提升了1–2個(gè)量級(jí)，已接近X射線衍射極限，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光源性能的代際跨越。與這種新型加速器設(shè)計(jì)相匹配的新技術(shù)還有幾個(gè)：

• 一是小孔徑磁鐵與真空技術(shù)，它將磁鐵孔徑縮小至25mm左右，四極磁鐵梯度達(dá)第三代的3–5倍，同時(shí)結(jié)合真空室內(nèi)壁吸氣劑鍍膜技術(shù)解決小孔徑條件下真空獲取難題；

• 二是先進(jìn)的注入及束流軌道反饋技術(shù)，像開(kāi)發(fā)“在軸置換注入”方案（如HEPS）解決小動(dòng)力學(xué)孔徑注入問(wèn)題，同時(shí)發(fā)展亞微米級(jí)快軌道反饋系統(tǒng)控制束流波動(dòng)。

問(wèn)：HEPS所采用的混合型MBA結(jié)構(gòu)與緊湊型MBA結(jié)構(gòu)相比有哪些優(yōu)化創(chuàng)新？

答：混合型MBA結(jié)構(gòu)是國(guó)際通用的一種MBA結(jié)構(gòu)。而HEPS的混合型MBA結(jié)構(gòu)在此基礎(chǔ)上，融合了3項(xiàng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。首先，通過(guò)采用包含縱向梯度二極鐵、反向彎轉(zhuǎn)二極鐵的新型單元節(jié)等方法，將發(fā)射度降低約40%。此外，還提出了新型彎鐵輻射源方案；最后在國(guó)際高能區(qū)第四代光源中，我們的團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)新提出并采用了交替分布的高-低束流包絡(luò)直線節(jié)設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)不增加任何造價(jià)，卻能讓半數(shù)直線節(jié)亮度提升約30%。

問(wèn)：截至目前我國(guó)的HEPS和HALF目前建設(shè)進(jìn)展如何？預(yù)計(jì)何時(shí)能投入使用？

答：HEPS，也就是高能同步輻射光源，它在2019年正式啟動(dòng)建設(shè)。到2023年，直線加速器、增強(qiáng)器完成了束流調(diào)試與內(nèi)部工藝驗(yàn)收；2024年7月，儲(chǔ)存環(huán)設(shè)備安裝完成，并成功出束，截至2025年初，儲(chǔ)存環(huán)束流流強(qiáng)超過(guò)40mA；2025年3月啟動(dòng)了加速器——束線聯(lián)合調(diào)試。按照計(jì)劃，HEPS預(yù)計(jì)將于2025年底啟動(dòng)試運(yùn)行。再看HALF也就是合肥先進(jìn)光源，它在2023年啟動(dòng)建設(shè)，目前正處于土建施工和設(shè)備研制階段，計(jì)劃在2028年完成建設(shè)工作。

問(wèn)：第四代同步輻射光源建設(shè)完成并投入使用后將會(huì)對(duì)我國(guó)的能源環(huán)境、生物醫(yī)學(xué)、先進(jìn)材料等領(lǐng)域帶來(lái)哪些應(yīng)用進(jìn)展？

答：同步輻射光源的本質(zhì)其實(shí)是X光，以光為尺，用來(lái)表征和解析物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)。且同步光具有時(shí)間脈沖結(jié)構(gòu)、相干性，因此也可以用于時(shí)間分辨、非彈性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)表征解析實(shí)驗(yàn)，像HEPS的時(shí)間分辨率能達(dá)到皮秒量級(jí)，這就好比能給原子分子的運(yùn)動(dòng)拍電影。第四代光源預(yù)計(jì)能對(duì)不少領(lǐng)域產(chǎn)生強(qiáng)大推動(dòng)，我舉幾個(gè)例子來(lái)說(shuō)吧。

• 在能源環(huán)境領(lǐng)域，它可以利用X射線納米分辨顯微成像等方法解析電池結(jié)構(gòu)演變與電化學(xué)性能，助力高效儲(chǔ)能器件開(kāi)發(fā)；

• 在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，它可以利用高分辨成像實(shí)現(xiàn)神經(jīng)元分辨的全腦無(wú)損三維成像，推動(dòng)介觀分辨腦圖譜研究；

• 在先進(jìn)材料領(lǐng)域，HEPS光源可以將動(dòng)態(tài)表征的時(shí)空分辨推向納米和納秒量級(jí)，清晰地捕捉到增材制造過(guò)程中的微觀組織缺陷，像熔池、孔洞、裂紋、應(yīng)變和相變等動(dòng)態(tài)過(guò)程的產(chǎn)生和演化，從而解析增材制造的“黑匣”過(guò)程。

問(wèn)：近十年“人工智能驅(qū)動(dòng)的科學(xué)研究”趨勢(shì)下，大數(shù)據(jù)、人工智能領(lǐng)域會(huì)對(duì)加速器光源發(fā)展起到哪些助力？

答：結(jié)合人工智能技術(shù)，可以構(gòu)建基于數(shù)據(jù)的裝置動(dòng)態(tài)模型，進(jìn)而發(fā)展硬件巡檢與故障預(yù)警新技術(shù)，同時(shí)還能研發(fā)友好型裝置控制調(diào)試系統(tǒng)，并探索加速器及光束線站的智能診斷、反饋、調(diào)控方法，實(shí)現(xiàn)智能化的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和數(shù)據(jù)分析。這些舉措都將助力加速器光源大科學(xué)裝置研究范式的突破。

問(wèn)：您認(rèn)為下一階段加速器光源的潛在研究方向有哪些？

答：我認(rèn)為有幾個(gè)方面值得關(guān)注。例如極低發(fā)射度儲(chǔ)存環(huán)，如能突破1pm·rad量級(jí)的設(shè)計(jì)瓶頸，將能實(shí)現(xiàn)亮度的再次提升；新光源原理與技術(shù)方面，正朝著融合第四代光源穩(wěn)定性與自由電子激光峰值亮度優(yōu)勢(shì)的方向發(fā)展，同時(shí)也在探索基于等離子體尾波加速等新技術(shù)的加速器光源；另外，經(jīng)濟(jì)性與綠色化也是重要的發(fā)展方向，通過(guò)提高加速效率，如高效率速調(diào)管等，以及優(yōu)化能耗，像永磁鐵節(jié)電設(shè)計(jì)，來(lái)降低建設(shè)與運(yùn)行成本。

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