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高能同步辐射光源:探索微观世界的大国重器

冯杰

2021年07月14日 01:33

董宇辉 苑梦尧
光明日报( 2021年07月08日 16版)

从空中俯瞰,位于北京怀柔科学城的高能同步辐射光源(HEPS)整体建筑形似一个放大镜,寓意为探测微观世界的利器。HEPS是国家“十三五”重大科技基础设施,由国家发展改革委立项支持、中国科学院高能物理研究所承担建设。它是我国第一台高能量同步辐射光源,也是世界上亮度最高的第四代同步辐射光源之一。日前,HEPS成功安装了首台科研设备,为其提供技术研发与测试支撑能力的先进光源技术研发与测试平台(PAPS)同期转入试运行。这意味着,HEPS将逐渐转入科研设备安装和调试阶段,建成后,将为基础科学和工程科学等领域原创性、突破性创新研究提供重要支撑平台。

强大的物质结构探针

X射线作为探测物质结构的探针,其光源亮度是最为关键的指标——更高的亮度意味着可以在空间、能量、时间等维度上获得更好的分辨能力和更高的实验效率,也就是说,能将物质内部的微观结构“看”得更清楚。因此,获得更高亮度的X射线源一直是科学技术人员孜孜不倦追求的目标。由伦琴发现X射线所使用的装置发展起来的固定靶、转靶X光机,已经为X射线的应用立下了汗马功劳,如今仍在实验室中使用。但是,这类仪器的亮度有一个无法逾越的“天花板”。

同可见光和X光一样,同步辐射光本质上也是一种电磁辐射。根据电动力学定理,自由电子在做变速运动时,将产生电磁辐射,包括:电子运动速率发生变化时,在运动前向产生的轫致辐射;电子运动方向发生改变时,在运动切线方向产生的同步辐射。同步辐射就是由以接近光速运动的电子在磁场中做曲线运动时所产生的电磁辐射。由于这种辐射是1947年在电子同步加速器上观测到的,因而被命名为“同步辐射”。

与常规X射线相比,同步辐射光源产生的同步辐射光具有独特的优点:频谱宽,同步辐射光波长连续可调,覆盖红外、可见光、紫外和X射线波段,可根据需要,利用单色器选取不同波长的光,进行单色光实验;加速器中的电子分布不是连续的,而是一团一团的电子束在做回旋运动,因此,产生的同步辐射也是脉冲的,具有时间分辨;同步辐射的发散角小,光线几乎是平行的,因此,其利用率和分辨率均大幅提高;亮度大,与常规X光机产生的X光相比,同步辐射光的亮度高出约4-14个量级,可用于高分辨的实验。

回顾科学发展历史,同步辐射光源对科学技术发展的广度和深度有不可比拟的影响,已经成为科学研究最为有力的支撑平台之一。所有的电磁波探针实验技术,从红外、可见光、真空紫外、软X射线直到硬X射线的波段,同步辐射装置都可以为实验提供高性能的光源。研究者可以通过使用各类与同步辐射相关的技术手段,探测样品的原子、电子、声子、磁性等结构,并且可以在各种外加条件(如高/低温、高压、强磁场、强电场、腐蚀性环境)下进行实验,不仅可以探测体相的结构,也可以探测表面、界面的结构细节。由于同步辐射具有很高的光亮度和光通量,在同步辐射上进行的实验可以达到实验室光源无法企及的效率和精度,并且有大量的实验手段只有在同步辐射研究设施里才可能实现。迄今为止,在同步辐射上开展的研究已经获得了5次诺贝尔奖。

除了在基础科学研究领域,同步辐射还在工业应用中发挥重要作用。现今的工业已经不再是单纯依靠产能或是数量取胜的时代,科技创新是引领工业发展的引擎。同步辐射装置所涉及的综合性的强大实验、研究能力,可以把多种学科、不同的实验方法汇集在一起,针对工业应用中的多种问题开展多方面的研究,形成工业创新的源头。在世界上几个大型同步辐射装置中,来自工业研发部门的用户大致占用户比例的7%~9%,并有逐年增加的趋势,有一些企业甚至在光源里中建有自己专用的线站。

这种强大的支撑能力,使得世界各国都先后加大对同步辐射研究设施的建设投入,使同步辐射成为世界上数目最多的大科学装置。同时,伴随着基础科学、国家需求的不断发展和时间的推移,新建的同步辐射装置性能也逐渐提高。

四代发展史,更高更强的追求

同步辐射光源自1947年诞生以来,随着研究深度及范围的扩展,经历了四代发展阶段:

第一代同步辐射光源寄生于用于高能物理实验的对撞机,由于同步辐射实验的要求与高能物理实验的要求并不一致,因此,第一代同步辐射光源应用于同步辐射研究的性能和时间都受到限制。

第二代同步辐射光源的储存环是为同步辐射研究专门建立的,使用了少量的插入件,加速器的设计也是以优化同步辐射光性能为基础。

第三代同步辐射光源是基于发射性能更高的同步辐射光设计的。除了利用弯铁外,第三代同步辐射装置还注重在更多的直线段中安装周期性磁场的磁铁部件(这些部件称为插入件),以得到性能更好的同步辐射光。

第四代同步辐射光源则是极低发射度的储存环光源。随着瑞典的MAX IV等低发射度储存环光源的成功,这一技术逐渐被公认为环形同步辐射光源的发展方向。采用新的加速器结构获得极低发射度,在束线设计中考虑X射线的相干性,是第四代同步辐射光源的特点,其更加优异的亮度和相干性,也使得系列全新的实验方法得以实现。

迄今,世界上有50多台同步辐射光源运行在23个国家和地区。于20世纪90年代相继建成的欧洲同步辐射装置ESRF、美国先进光子源APS和日本超级光子环SPring-8等第三代同步辐射光源,其电子发射度在3nm·rad左右,目前仍是同步辐射设施的主力,显示出了这类大型装置的长久生命力。

同时,新的装置还在不断建设中,目前同步辐射装置是数量最多、支撑学科范围最广的大科学实验设施。上文提到的第四代同步辐射光源——瑞典MAX IV光源使用新的加速器设计,即多弯转磁铁消色散(MBA,目前主流的设计为7弯铁结构,即7BA)的光源正逐步成为未来同步辐射光源建设的潮流,这种MBA结构的设计,可以使储存环的电子发射度降低到0.1nm·rad以下,比早期的第三代光源的亮度至少提高2个数量级。这个长足的进步可以使同步辐射的相干性变好,保证实验的分辨能大幅度提升,可以促使一大批新兴的实验技术开展,带来各个学科领域研究的新机遇。

我国大陆和台湾地区现有5台同步辐射装置:北京同步辐射装置(BSRF)、合肥同步辐射光源(HLS)、上海光源(SSRF)、台湾光源(TLS)、台湾光子源(TPS),都处于中、低能区,光谱亮度在大于40keV能量的硬X射线波段与国际上的先进高能光源存在着明显的差距。

1989年建成的北京同步辐射装置是依托于北京正负电子对撞机的第一代同步辐射装置,运行在2.5GeV,有14条光束线和15个实验站,覆盖波段较广,从真空紫外到硬X射线。由于是兼用光源,每年只有约2000小时同步辐射专用机时,利用上受到很大限制。北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCII)完成后,大部分束线可以在对撞模式下兼用运行,机时紧缺的问题得到了一定程度的改善。

1990年建成的合肥同步辐射光源是束流能量为800MeV的第二代同步辐射光源,有14条光束线、14个实验站,主要工作在真空紫外和软X波段。

与国际状况类似,北京同步辐射装置和合肥同步辐射光源上的科学研究也非常活跃。两个装置每年接待上千用户,开展600个左右科学实验,发表数百篇论文。近年来,随着光源性能和用户科研水平的提升,陆续产生一些具有较大国际影响的成果。但遗憾的是,北京同步辐射装置和合肥同步辐射光源的性能和提供的机时都远远不能满足用户需求。

2009年建成的3.5GeV的上海光源为中能第三代同步辐射装置。目前已有16条光束线站投入运行,并已成为我国先进光源的主力。为进一步提高上海光源的技术和科研支撑能力,2016年11月上海光源线站工程启动建设,新建16条性能先进的光束线站和实验辅助系统。

台湾已有的1.5GeV的第三代同步辐射光源TLS于1994年投入运行。根据台湾同步辐射应用发展的需要,2004年确定了建设更为先进的3GeV第三代同步辐射装置TPS的计划。TPS已于2010年动工,于2015年建成,其亮度达到1021phs/mm2/mrad2/s/0.1%BW,被称为“亚洲最亮的3GeV同步辐射光源”。

我国现有的同步辐射装置在培养国内的同步辐射用户队伍上起到了重要的作用,并且支撑了国内基础科学的发展,尤其是上海光源在凝聚态物理、化学以及结构生物学上起到了很重要的支撑作用,大幅度提升了上述学科的水平。

HEPS,为国家需求和前沿基础科学研究而生

40keV以上的高能X射线具有穿透能力较强等优势,使对真实工件的高精度微观结构研究成为可能,例如高能射线衍射、高Z元素的谱学、极端条件下的实验、高密度和(或)大尺度样品成像等国家重大需求密切相关的研究。它们需要的是兼具高亮度和高能量的硬X射线,这种硬X射线只能由高能、小发射度的同步辐射光源来提供。

HEPS是我国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。其储存环加速器的电子束流能量为6GeV,可提供300keV的高能X射线,将有效满足国家战略和工业核心创新能力等相关研究对高能量、高亮度的X射线的迫切需求,使得我国的同步辐射光源向高能区扩展,和我国现有的光源形成能区互补,进一步满足用户迅速增长的需求,保证同步辐射光源对我国科学研究具有可持续的支撑能力。

HEPS主装置主要包括加速器、光束线和实验站3个部分。其加速器由直线加速器、增强器和储存环三台独立的加速器,以及连接彼此间的3条输运线组成。加速的带电粒子为电子,首先由源头的电子枪产生高品质的电子束,再由直线加速器将电子加速到0.5GeV的能量。增强器将0.5GeV的电子束加速到额定的6GeV。达到6GeV的电子束团由增强器环里引出,再注入专门为电子发光准备的储存环中。

电子束团在储存环的环形轨道中以接近光速的速度,在储存环上的不同位置,通过弯转磁铁或者各种插入件时,按照经典电动力学的法则,会沿着偏转轨道切线方向,从弯转磁铁或者各种插入件发射高品质、高能量、高强度的连续或可调光谱的同步辐射光。这也就是为什么同步辐射装置都是环形的原因。HEPS储存环加速器由48个周期的结构单元(7BA消色散结构)构成。HEPS可利用储存环7BA单元节中间部分的纵向梯度二极磁铁,产生宽谱同步辐射光,满足传统科研领域用户需求。另外,每个7BA周期单元之间还有一个6米长的直线节,除部分单元的直线节用于安装电子束流注入引出系统、高频系统,大部分单元的直线节都用于安装不同类型的先进插入件,以引出高性能同步光。通过合理优化设计插入件,可产生高于1×1022phs/(mm2·mrad2·0.1%BW)量级的世界最高亮度的、能量高达300keV的同步辐射光。

从电子储存环引出的同步辐射光,经光束线上的高精度压弯、单色器、聚焦镜等一系列精密光学系统分光、准直、聚焦等再加工后,HEPS可提供nm空间分辨、ps时间分辨、meV能量分辨的同步光。

各领域的用户在实验站利用各种实验仪器开展各自的科学实验。HEPS建设高性能光束线站的容量不少于90条,根据高亮度、高能量、高相干性等特点,HEPS光束线站瞄准国家发展战略和科学前沿发展,参考国际上高能量同步辐射装置光束线站的设置,同时也考虑经费限制和建设工期等具体情况,在广泛调研和多次研讨的基础上,确定了首批建设14条面向用户的公共光束线和相应的实验站。其中,11条束线的实验站位于实验大厅建筑内,有3条100米以上的超长光束线,其光束线穿越实验大厅建筑后,在大厅外面建设实验站。

各线站有其擅长的实验方法,比如有可利用连续光谱的X射线吸收谱学、利用高相干性的X射线相干散射实验法、高通量生物大分子微晶衍射实验法、超硬X射线成像实验方法等的技术和相关设备,支持工程材料、催化与能源、生命科学与生物医学、新材料等前沿科学研究和国家发展战略中部署的课题。在为众多用户提供常规技术支撑的同时,还将为国家发展战略和工业核心迫切需求的相关研究,提供多维度、实时、原位的表征平台,解析工程材料的结构、观察其演化的全周期全过程,为材料的设计、调控提供信息。

HEPS建成后,将参照相关的运行规范和已有光源的开放共享经验,全天时运行,按照“开放合作、资源共享”的原则,面向多用户、多领域开放,相关院校用户可根据需求,选择相应的实验线站申请机时。

由于同步辐射装置能够对各学科的前沿研究提供重要的支撑,以同步辐射装置为核心,建设多学科的研究平台,形成多学科的、多种装置的聚集效应,打造大型的国家级实验平台也已成为大科学基础设施建设的发展趋势。美国能源部下属的ANL,BNL,LBNL等实验室就是一类以同步辐射装置为核心的综合研究平台;欧洲ESRF周边也聚集了EMBL、中子源、强磁场研究中心等设施,形成了集群效应;在英国,以Diamond同步辐射光源为核心的Harwell园区也采用同样的理念进行设计,还有日本的SPring-8光源也一样聚集了大量的企业及科研设施。

HEPS的建设也考虑到了这一情况——它位于怀柔科学城北部核心区,是怀柔大装置集群中的核心装置,它的设计寿命为30年,建成后还会不断升级改造,预期工作寿命在50年或更长。

作为大装置集群核心装置,HEPS将与怀柔科学城内建设的综合极端条件装置等其他设施和平台紧密结合,形成一个高端的综合性大装置集群,为国家的重大战略需求和前沿基础科学研究提供技术支撑平台,推进国家科学技术的发展。

(作者:董宇辉,系中国科学院高能物理研究所副所长、研究员,苑梦尧,系该所高级工程师)

同步辐射装置有没有辐射安全问题?

同步辐射光属于电离辐射,会破坏人体的一些组织结构,公众应尽量少接触或者避免暴露于其中。但大家无需恐慌。一般来说,同步辐射装置均利用重混凝土墙、一定厚度的铅墙等一系列防护措施,来隔离并吸收释放的电磁辐射,所以在同步辐射装置正常运行时,装置产生的辐射剂量对外界环境的影响是微乎其微的,可忽略不计。

HEPS正常运行情况下,装置附近居民一年所受的辐射剂量约等于乘坐飞机15分钟的辐射量;而同步辐射装置产生的辐射是瞬发性的,只要加速器一停机,辐射场即消失。

所以,住在同步辐射光源附近的居民完全可以放心。如果在同步辐射光源进行工作实验或者参观同步辐射装置时,只要遵循工作人员的引导,完全不必担心辐射安全问题。


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2021年07月14日 09:31
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