2023 年 3 月 14 日，HEPS（高能同步辐射光源）直线加速器成功加速出第一束电子束，并实现满能量出束，这一重大成果如同一道耀眼的光芒，照亮了我国科学研究和工业创新的前行之路。

HEPS 坐落于怀柔科学城，宛如一座科技的灯塔，为探索物质微观世界提供了强大的助力。在深入了解 HEPS 的意义之前，我们先来认识一下光源的概念。

光源，简单来说，就是能够发光的物体，像我们日常生活中熟悉的太阳、电灯、蜡烛等都属于此范畴。而 HEPS 所产生的光并非普通的可见光，而是不可见的 X 光。

光本质上是一种电磁波，涵盖了无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X 射线、伽马射线等多种形式。同时，光也具有粒子性，被称作光子。

我们可以通过波长、频率来描述光波，也能用能量来加以表征，波长越短，能量也就越高。X 射线的波长在 0.01 到 100 埃之间，是由德国物理学家 W.K.伦琴于 1895 年发现的，故而也被称为伦琴射线。

由于 X 射线的波长与原子和分子间的距离较为接近，因此在物质微观结构的研究中，其散射、衍射和吸收现象能够提供丰富的微观信息，从而使 X 射线成为探测物质微观结构的理想手段。接下来，我们探讨一下同步辐射。当前，常见的 X 射线产生装置主要有两种，一种是通过高能电子轰击金属来产生电磁波，另一种则是同步辐射装置。

不妨想象这样一个画面：在雨中快速转动雨伞，水珠会沿着伞边缘的切线方向飞射出去。上世纪初，人们就曾预言，当接近光速的电子在磁场中做曲线运动时，会沿着弯曲轨道的切线方向发射出连续的电磁辐射，也就是 X 光。

1947 年，美国通用电气公司的一名工人在调试 70 兆电子伏的电子同步加速器时，首次观测到了这一现象，“同步辐射”由此得名。为了确保电子在储存环中稳定运行，储存环隧道内设置了大量的磁铁，用于改变和约束电子的运动方向。

电子束流的能量决定了同步辐射光谱的范围，能量越高，光谱就越向高能端拓展。依据加速器中电子的能量，同步辐射光源可分为低能量、中能量和高能量光源。

在同步辐射光源中，“高能”代表着更卓越的性能和更强大的探测能力。电子发射度是衡量同步辐射光源性能的关键参数，它反映了储存环内电子束的横截面大小以及运动方向的一致性。

发射度越小，光束的聚焦光斑就越小，光学系统的接收孔径也随之减小，进而提高了探测的精度。目前，全球仅有为数不多的几台第四代同步辐射光源正在运行或建设中，HEPS 便是其中之一。

与第三代光源相比，第四代光源的亮度提升了 100 到 1000 倍，这对于深入探测物质内部的细节具有极其重要的意义。亮度越高，探测的信噪比和精度就越高，速度也更快。

中低能量的 X 射线在穿透样品时存在一定的局限性，难以深入大块样品内部进行结构表征，而 40keV 以上的高能 X 射线则拥有强大的穿透能力，能够高分辨率地探测工件内部，揭示关键结构信息及其演变规律。高亮度和高能量的硬 X 射线只有通过高能、小发射度的同步辐射光源才能产生。

HEPS 建成后将成为我国首台高能量同步辐射光源，其储存环加速器的电子束流能量为 6GeV，能够提供高达 300keV 的高能 X 射线，亮度比第三代光源高出 2 - 3 个数量级，并且具有更高的分辨率。同步辐射光具有众多优点。其波段范围极为广泛，从太赫兹、红外一直到硬 X 射线，几乎囊括了所有可能的能量区间，并且可以借助光学元件如单色器进行精准调节，以满足不同实验的需求。

同步辐射光具有极高的准直性，光子发射角与能量成反比，能量越高，发射角越小，从而形成一个极其狭窄的圆锥形光束，近乎平行，这种特性使得光束能够在较长距离内保持稳定传播。此外，同步辐射光在电子轨道平面上呈现出完全的线偏振状态，通过特殊设计的插入件，还能够获得各种偏振状态的光，用于研究样品中特定参数的取向问题。

同步辐射光的脉冲结构也是其显著优势之一，由于电子在储存环中呈团状分布，所产生的光是脉冲光，这种结构与储存环的周长以及电子束团的长度密切相关，是影响实验时间分辨能力的关键因素。正因如此，在众多领域中，同步辐射光源已成为不可或缺的研究工具。我国对同步辐射光源的发展建设给予了高度重视。自 1989 年北京同步辐射装置建成以来，我国相继建成了合肥同步辐射光源和上海光源，分别代表了第二代和第三代同步辐射装置。

尽管我国已经拥有多个同步辐射光源，但建设 HEPS 仍然具有十分重要的意义。我国现有的同步辐射光源主要集中在中低能量区，虽然能够观察物质的分子结构，但在捕捉其变化过程，特别是真实状态下的结构变化方面存在一定的困难。

此外，工业创新能力的研究也迫切需要我国建设一台高亮度的高能光源。中低能量的 X 射线在穿透样品时能力相对有限，难以深入大块样品内部进行结构表征，而 40keV 以上的高能 X 射线则具备强大的穿透能力，能够高分辨率地探测工件内部，揭示关键结构信息及其演变规律。

高亮度和高能量的硬 X 射线只能由高能、小发射度的同步辐射光源提供，HEPS 的建成将填补我国在这一领域的空白。

HEPS 装置主要由加速器、光束线和实验站三部分构成。加速器包含直线加速器、增强器和储存环三台独立的加速器，以及连接它们的三条输运线。

电子枪位于起始位置，能够产生高质量的电子束，通过长约 49 米的直线加速器，电子束被加速到 0.5GeV，随后注入周长 450 多米的环形增强器，进一步将能量提升至 6GeV。此时，电子束已接近光速，并被注入周长约 1360 米的储存环，以接近光速的速度保持回旋运动。

在储存环的不同位置，当电子束通过弯转磁铁或插入件时，会沿着偏转轨道的切线方向释放出稳定且高能量、高亮度的同步辐射光。从电子储存环引出的宽频谱、光斑尺寸较大的同步光，需要经过光束线上的单色器、聚焦镜等光学元件的调制，从宽波段的“白光”中筛选出波长单一的单色光，并进一步将光斑尺寸聚焦到更小的尺寸，有时还需要从多个相干模式中挑选出单一模式，最终输送到实验站，供用户进行高精度的实验。在全球范围内，高能量同步辐射光源发挥着至关重要的作用。美国的先进光子源（APS）、欧洲同步辐射装置（ESRF）、日本的 SPring - 8 和德国的 PETRA - III 是目前正在运行的高能量同步辐射光源。

这些光源所提供的光谱能区范围广泛，涵盖的学科领域众多，支撑能力强大，尤其在工程材料和国家重大需求等方面具有特殊的意义。它们在引领同步辐射技术发展的进程中发挥着不可替代的作用，为众多科学研究和工业应用提供了强有力的支持。

HEPS 直线加速器满能量出束，将为国家的重大需求和前沿研究提供先进的平台，满足诸如航空发动机及燃气轮机、脑科学与类脑研究、煤炭清洁高效利用、重点新材料研发及应用等大量重大科技项目的需求。这不仅会推动我国同步辐射装置达到世界先进水平，还将满足国家重大需求和工业核心创新能力研究的需要，优化我国同步辐射装置的能区、研究领域和地域分布，以适应快速增长的科学研究需求。

HEPS 的建设和发展，必将为我国的科学研究和技术创新带来新的机遇，推动我国在相关领域不断取得新的突破，迈向更加辉煌的未来。