媒体关注丨追光30年，他给“超级X光机”装上国产“视网膜”
日期：2026-10-16
来源：北京日报
北京玉泉路旁，依托我国第一台大科学装置——北京正负电子对撞机建设的北京同步辐射装置，于1990年投入应用。它既是我国第一台同步辐射光源，也属于第一代的光源装置。
30多年后，在怀柔雁栖湖畔，我国第一台高能同步辐射光源将于今年正式运行，它将成为世界上亮度最高的第四代同步辐射光源之一。
高能同步辐射光源
在这条跨越30余年的“追光之路”上，中国科学院高能物理研究所（简称高能所）特聘研究员、X射线光学与技术实验室负责人刘鹏，就是其中奋力奔跑的一员。他带领团队一次次从零起步，建起我国第一条生物大分子晶体学线站，攻克同步辐射装置的光学和探测器核心技术，让“大国重器”中许多曾长期依赖进口的核心设备，逐步实现自主可控，成为响当当的“中国造”。
从零打造首条“追光站”
将一柄雨伞快速转动，雨水会沿着伞边缘的切线方向飞出，同步辐射光的产生方向也是如此。当高能电子束团被约束在环形同步加速器中，以接近光速“跑圈”时，电磁波会沿着环形轨道的切线方向辐射出去，这便是同步辐射光。
具备亮度高、频谱覆盖范围宽等特点的同步辐射光，可以“照亮”物质的微观结构，帮助人们在分子、原子、电子等微观尺度上，了解物质的结构及其性能、功能和作用机理。因此，同步辐射光源也被科学界视为“超级X光机”。
储存环加速器
科研人员依托大型加速器产生的X射线，在装置配套建设的用户线站内开展各类测试和研究。而贯穿刘鹏科研生涯的关键词，就是“追光”。
时间回到1996年秋天。还在高能所攻读博士学位的刘鹏，接到了一项前所未有的艰巨任务——在北京同步辐射装置上，建设我国第一条生物大分子晶体学线站，支撑生命科学领域的前沿研究。
在生命科学领域，几乎所有的生命过程都和蛋白质密切相关，而当时全世界蛋白质数据库保存的各种结构中，超九成是由X射线晶体衍射测得的。要看到蛋白质更清晰、更精细的结构，只能依靠同步辐射技术。
北京同步辐射装置保证了高质量的同步辐射光产出，刘鹏的任务，则是要通过建设线站来用好这束光。“生物大分子晶体学线站的技术要求很苛刻，超长压弯镜聚焦系统、高稳定性单色器等关键设备，都要从头设计。”
这是一项涉及X射线光学、精密机械、超高真空、自动化控制等十几个交叉领域的复杂系统工程。初生牛犊不怕虎。刘鹏和其他几名在读博士生一起，开始了技术攻坚。20来岁的年轻人不仅要完成实验室的研发任务，还要修改图纸、拧螺丝、装调设备。“时间紧、任务重，相关的配套体系又不健全，什么事都得靠自己。”回忆起当年，刘鹏语气平静，让人难以察觉背后隐藏着的庞大工作量。
硬X射线相干散射线站Ptychography实验装置
单色器承担着同步辐射光的单色化与波长选择任务，是线站的核心设备之一。可当各部分零件生产完成，进入组装阶段时，单色器的真空度测试却怎么也过不了关。“知道它有漏气点，但不知道到底是哪儿漏气。”刘鹏笑着摇头，单色器足有一人多高，要逐一排查漏气点，又要保持出光的精度，拆装一次就得折腾好几天。“不懂就问、不会就学，每天好像都有使不完的劲儿。”刘鹏不分昼夜地泡在实验室，反复拆解十余次，终于解决了漏气的“元凶”。
类似的故事，在线站建设的7年里反复上演。2003年，生物大分子晶体学线站终于建成。投入使用后不久，生物大分子晶体学线站就接到了一份紧急“订单”。2003年春天，非典（SARS）疫情暴发，科研团队急需完成SARS病毒结构的解析，从而加速抗病毒药物的研发。“原本，北京同步辐射装置将进行专用模式切换。为了帮助科研团队在第一时间完成蛋白质样品结晶检测，装置特意延长运行了3天，为SARS病毒主蛋白酶拍下一组‘证件照’。”刘鹏说，随后，科研团队还通过同步辐射实验筛选并鉴定出有效的药物靶分子，为药物研发提供了重要信息。
作为北京同步辐射装置的第一条用户线站，生物大分子晶体学线站的突破，也为后续更多线站的建设“打了样”。“目标清晰、方案合理、全力以赴，只要这些条件具备，总能蹚出一条合适的路。”刘鹏总结道。
成功啃下世界级难题
从第一代光源的北京同步辐射装置，到第二代合肥同步辐射光源、第三代上海同步辐射光源，再到位于怀柔科学城的第四代同步辐射光源——高能同步辐射光源，30多年来，我国同步辐射光源的建设持续加速。代际跃升，意味着光源产生的电子束流性能大幅提升，但得到更亮的同步辐射光只是第一步，如何调控出更高品质的光，并有效利用其开展实验，是另一道瓶颈。
高能同步辐射光源实验大厅
刘鹏给出了直观的对比数据：和上海同步辐射光源相比，北京同步辐射装置产出的光束品质差距接近5个数量级。然而，就像极强的光线进入照相机会导致底片过曝，如果探测器的技术能力无法匹配，装置就难以真正发挥作用。
“起初，国内一直跟随国际上的主流路线，采购成品探测器。但核心设备的瓶颈不打破，我们就不可能实现并跑甚至领跑。”总结首条线站的建设经验后，刘鹏决定转向同步辐射装置的光学和探测器等关键技术研发。2012年，他主持建起X射线光学与技术实验室，选择的研发方向之一，便是在当时看来非常激进的技术路线——单光子计数探测器，“几乎是清一色的反对声，觉得我们的步子迈得太大了。”
硬X射线成像线站
光子计数探测器的目标，是逐一识别每个进入探测器的光子信号，将所有数据汇总后再整体输出，完成探测。然而，单光子技术的门槛极高，国际上掌握该技术的团队屈指可数。又一次，刘鹏带着团队从零开始突破。
探测器的一次流片，就需要3个月之久；数十万像素的点对点封装，错一点都必须重新来过；每秒数万亿个光子的信号，对应的数据量达上千亿字节，信号的实时传输处理需要极高的带宽……每一个环节都存在极高的技术壁垒。刘鹏以封装工艺举例：为突破百微米级封装技术，确保探测器的每个像素点都连接正常，实验室和合作方反复打磨了几十轮。
虽然面对的是堪称“世界级的难题”，刘鹏却自始至终都信心十足，“过程中的坎坷和失败是很正常的，我能确认的是，这条路一定能走通，只是早晚的问题。”
前后打磨了3年多，探测器效率实现大幅提升，让同步辐射光源的“视力”变得更好。“如果现在要我们再检测一次SARS病毒样品，对样品结晶的质量要求可以放宽，同时数据的收集时间可以缩短几个数量级，样品的损伤问题也能更好解决。”刘鹏说，从2012年至今，他已经带领团队完成了单光子探测技术和设备的四轮迭代，部分技术方法实现原创突破。
“这就是为什么我们要强调创新引领的作用，就像搭积木，随着越来越多的核心技术取得突破，我们手中掌握的这些积木块，就可以用来造房子了。”刘鹏坚信，新技术、新方法的发展，还能开拓出更多新机遇，“技术创新把曾经的‘不可能’变为可能，路总是越走越宽的。”
“最亮的光”用上国产探测器
走进怀柔科学城，高能同步辐射光源已经做好正式运行的准备，刘鹏的“追光之路”也进入新阶段。近一年多来，他和团队的一项重要任务，便是为这台“超级X光机”配备性能更加优异的国产探测器，并建设能力更强的用户线站。
“我们常说，高能同步辐射光源是我国首台第四代同步辐射光源，也是全球亮度最高的第四代同步辐射光源之一，它的发射度更小、亮度更高、分辨能力更强。但我更愿意介绍它是我国全面采用自主技术建设的同步辐射光源。”刘鹏说，在高能同步辐射光源的建设过程中，曾长期依赖进口的光学元件和探测器等核心设备，已逐步实现国产化替代，部分核心设备还成功向国外出口。
高能同步辐射光源建成的首批15条线站中，就应用了刘鹏团队研发的各种光学器件和探测器。其中，生物大分子微晶衍射实验线站的单光子探测器达到600万像素成像能力，自2025年底启动试运行以来，该线站已经服务了50余个科研课题的实验需求。
600万像素探测器安装在HEPS生物大分子微晶衍射线站
对技术路线的全面、深入掌握，也让同步辐射光源的用户线站不再只是科研工具。“拥有核心能力后，我们作为线站的工程团队，也能深度参与到各领域的科研项目之中，针对研究痛点提供解决方案。”刘鹏正与合作单位共同推进的一个项目，便是对金属材料残余应力的探测。
在精密制造领域，应力控制是绕不开的难题。以高铁轮毂的生产为例，在多道工艺流程中，每道工序都可能留下残余应力，进而导致金属内部发生细微形变。这种形变大多在纳米量级，但积少成多，就可能导致工件出现裂纹甚至断裂。
检测高铁车轮残余应力
高能同步辐射光源发出的“最亮的光”，能照亮原子间距的细微变化。“光源发射出的X射线，可以穿透构件更深层，结合我们全新的光学探测技术，就能获得构件各层的梯度变化信息。”刘鹏表示，相关数据能为新材料研发、航空航天、纳米科技等领域提供关键支撑。
如今，在我国同步辐射光源领域，包括刘鹏在内的一批“追光人”，仍在努力推开一扇扇窗，寻觅更壮阔的风景。“我们的征途就像攀爬一座高山，只要目标和方向正确，即使有再多坎坷，再多起伏，终将抵达终点。”刘鹏语气坚定。
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