怀柔科学城设施平台使用攻略 | 高能同步辐射光源
日期：2025-10-18
来源：怀柔科学城
在怀柔科学城，一座形如巨型手持放大镜的建筑巍然矗立——这正是国家重大科技基础设施高能同步辐射光源（HEPS）。作为中国科学院、北京市共建怀柔科学城重大科技基础设施集群的核心装置，该项目于2019年6月正式启动，由中国科学院高能物理研究所承担建设。
这双“探索微观世界的超级眼睛”，建成后可发射比太阳亮度高1万亿倍的光，作为世界上设计亮度最高的第四代同步辐射光源，它将能够帮助科研人员更好地“看清”微观世界，揭示物质微观结构及其生成演化过程和机制，如了解催化过程中催化中心和催化性能的构效关系、灵长类脑成像及神经网络连接三维成像解析、器官和类器官三维成像、观察高温合金单晶生长、探察航空工程材料的微结构缺陷、金属３D打印过程缺陷生成机制、提供芯片纳米分辨的检测等基础和应用。
卓越性能集成，打造前沿科研核心引擎
HEPS主要由加速器、光束线站两大部分构成，可容纳不少于90条高性能光束线站，一期建设14条用户光束线站和1条测试线站，可提供能量达300千电子伏的X射线。
作为一台先进的第四代同步辐射光源，其设施空间分辨能力达到10nm量级，具备单个纳米颗粒探测能力；能量分辨能力达到1meV伏量级；时间分辨达到ps量级，具备高重复频率的动态探测能力，可提供相干衍射、三维成像、动态谱学等实验方法。
装置将为在众多基础科学前沿领域开展更灵敏、更精细、更快、更复杂和更接近实际工作环境的研究提供适应调控时代要求的实验平台，支撑科学研究以空间、时间、能量三个维度，从分子、原子、电子、自旋的水平更精细地认识物质，进而实现多层次、多尺度的物质调控。
HEPS建设与我国现有的光源形成能区互补，对增强国家科技基础设施水平，提升国家发展战略与工业核心技术相关研究具有重大意义。在满足国家重大战略需求和工业核心创新能力研究需求的同时，HEPS还将引领产业实现跨越式发展，如在工程材料、芯片微电子、新药创制、石油化工、能源环境、纳米材料等众多领域的开发应用研究中提供有力支撑。
HEPS储存环插入件
HEPS实验大厅
自主创新，实现关键核心技术突破
HEPS项目建设过程中，多项关键技术研发取得重要突破。
HEPS是我国及亚洲首台第四代同步辐射光源，也是全球首批10皮米弧度量级自然发射度的光源之一，其核心是一台具有极低发射度的全新储存环加速器，物理设计极具挑战性。在国际通用的混合多弯铁消色散结构基础上，HEPS加速器设计团队创新性地融合了包含纵向梯度二极铁和反向弯转二极铁的新型单元节等多项创新设计，完成了国际已建及在建同类光源中自然发射度指标最高的储存环设计方案。电子束流的发射度是描述电子束质量和特性的重要参数之一，发射度越小，说明电子束在横向的分散程度越小，电子束的运动分布越接近于束流的轴向，束流的品质越好，发出的同步辐射光的亮度越高。9月29日，HEPS加速器通过性能工艺测试，束流水平自然发射度0.0568nm·rad，亮度4.00×1021 phs/s/mm2/mrad2/0.1%BW，各项关键指标达到或优于批复的验收指标。
储存环七弯铁消色散结构单元
同时，HEPS还首次提出并采用了基于增强器高能累积的置换注入方案，为高电荷量束团置换注入开辟了新路径。为了应对紧密的磁聚焦结构和超小动力学孔径带来的挑战，HEPS利用增强器作为高能累积环，将储存环中待替换的束团引出并回注到增强器中，与低电荷量电子束融合，累积成高电荷量束团，经进一步加速，再注入至储存环，实现在轴置换注入。这种方案减小了增强器低能阶段对单束团电荷量的需求，同时实现了引出束流的循环再利用。
2025年1月2日，HEPS储存环成功实现基于增强器高能累积的置换注入。
HEPS高频系统自主研制成功166 MHz超导模组并成功上线运行。HEPS 166 MHz超导模组是世界上首台用于加速光速粒子（beta=1）的四分之一波长（QWR）主动型超导腔，并且实现了高阶模式的深度抑制。
储存环超导高频腔区域
HEPS真空系统解决了1.2m长前室真空盒的6mm狭缝镀膜这一国际难题。利用3套镀膜装置，完成了储存环918根，总长约1200 m的真空盒镀膜。
小孔径真空盒内表面镀膜系统
HEPS提出并成功研制世界首台“芒果”型扭摆器，特殊设计的x-y磁场周期提供了X射线成像的大视场光束，兼具比传统扭摆器成像更高的空间分辨能力。
芒果扭摆器
芒果扭摆器第一束光的曝光胶片，光斑尺寸约为189mm×74mm。
在注入技术方面，HEPS采用相比第三代光源全新的在轴注入方案，并实现关键设备的全国产化。切割磁铁采用原创的半真空结构形式，切割板厚度2mm，磁铁场强为1T，达到国际领先水平；自主研发的超快脉冲电源，脉冲底宽小于10ns，脉冲电压幅度大于±15kV，达到国际先进水平。
在磁铁技术方面，HEPS纵向梯度二极磁铁采用了节能环保的永磁方案，积分磁场离散性达到±5×10-5，比第三代光源小一个数量级，达到国际领先水平；超高梯度四极磁铁的磁场梯度达到80 T/m，是第三代光源的4倍。
在准直技术方面，HEPS预准直首次采用多路激光边长交会测量法，在5m范围内稳定实现了4μm绝对测量精度，储存环精准直全面测量在1360m狭长隧道空间实现了绝对0.2mm、相对0.02mm的超高测量精度，首次研发了基于束流理论轨道和绝对偏差的偏差平滑法，达到国际最好水平。
HEPS光束线采用大批自研设备，如多种创新检测诊断设备、单色器、镜箱系统、光学元器件、光束调制设备、高热负载前端、安全联锁设备等，其中光学面形检测精度达到51pm，全口径波前检测精度达到0.5pm，自研晶体波前控制达到2pm，单色器静态稳定性达到11nrad，均处于国际领先水平，在线站调光和应用中得到实际检验，满足光束线需求。
旗型光学面形仪
双刃波前检测系统
自主研制单色器
二维像素阵列探测器是目前同步辐射领域应用最为广泛的探测器，HEPS探测器系统实现了此类探测器的完全自主研制，并应用在生物大分子微晶衍射、测试线站等多条线站。
开放共享在即，深入服务用户需求
HEPS预计将于2026年起陆续正式面向科研用户和企业用户开放。在HEPS用户服务平台上，用户将能够以试用、普通、合作、快速、企业等多种课题形式申请机时。装置将依据运行和对外开放情况以及用户的需求，对课题进行具体机时安排。
为充分发挥第四代同步辐射光源的先进实验方法的优势，各线站团队可为用户团队提供更加符合研究目的的实验方案和数据解析等。
HEPS首批建设14条光束线站向用户开放，分别为工程材料线站、硬X射线纳米探针线站、结构动力学线站、硬X射线相干散射线站、高分辨谱学线站、高压线站、硬X射线成像线站、X射线吸收谱学线站、低维结构探针线站、生物大分子微晶衍射线站、粉光小角散射线站、高分辨纳米电子结构线站、通用环境谱学线站、X射线显微成像线站。第一批6个线站已开始征集试用用户。HEPS用户系统链接和联系方式如下。
高分辨谱学线站——“乾坤”谱仪
HEPS X射线显微成像线站
硬X射线相干散射线站Ptychography实验装置
硬X射线成像线站
HEPS用户系统网址
https://user.heps.ihep.ac.cn/
联系方式
HEPS工程办公室
联系人：苑老师联系电话：86-010-88235967Email：heps@ihep.ac.cn
HEPS用户办公室
联系人：于老师联系电话：86-010-88235027Email：heps-user@ihep.ac.cn
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