原文發表于《科技導報》2025年第5期《粒子加速器驅動的同步輻射光源：現狀與展望》

大科學裝置是孕育重大原創成果、實現關鍵核心技術突破、搶占科技競爭戰略制高點的利器，也是一個國家科研實力和創新能力的重要標志，粒子加速器作為大科學裝置，在世界科學技術的發展進程中發揮著非常關鍵的作用。其中，同步輻射光源是一種利用相對論電子產生同步輻射的粒子加速器，歷經4代發展，它在基礎科學研究和應用科學領域扮演越來越重要的角色。本期，《科技導報》邀請中國科學院高能物理研究所、中國科學院大學的研究員焦毅帶來對這一大科學裝置技術特點、最新進展等的專業洞見。

01

?粒子加速器大科學裝置

大科學裝置（亦被稱作重大科技基礎設施）集科研、技術、工程三重屬性于一身，具有規模宏大、性能卓越、系統復雜、技術先進等諸多特點。自20世紀中葉以來，大科學裝置在推動科學技術發展實現前沿性、原創性突破方面所起到的基礎性支撐作用愈發凸顯。回顧歷史，1950年以前，憑借大科學裝置而獲得諾貝爾獎的成果只有1項；而20世紀70年代之后，有超過40%的諾貝爾物理學獎主要是借助大科學裝置取得的。由此可見，大科學裝置已然成為孕育重大原創成果、實現關鍵核心技術突破、搶占科技競爭戰略制高點的利器，亦是一個國家科研實力和創新能力的重要標志。正因如此，世界各國都不惜投入巨額資源來推動大科學裝置的設計與研制。相關統計數據顯示，截至目前，中國已經規劃布局并建設超過70個國家重大科技基礎設施（即大科學裝置），其中部分設施的綜合水平位列全球“第一方陣”。

在眾多大科學裝置中，粒子加速器大科學裝置頗為引人關注。20世紀80年代以來，中國先后建設并運行了北京正負電子對撞機、合肥同步輻射裝置、蘭州重離子加速器與冷卻儲存環裝置、上海同步輻射光源等一批粒子加速器大科學裝置。它們在中國基礎科學研究和經濟社會發展中發揮了重要作用。其中，由中國科學院高能物理研究所負責建造的北京正負電子對撞機是中國首臺大科學裝置。該裝置于1988年10月完成建設，被評價為中國繼原子彈和氫彈爆炸成功、人造衛星上天之后，在高技術領域所取得的又一重大突破性成就。北京正負電子對撞機1990年投入運行后，取得了諸如τ輕子質量精確測量等一批在國際高能物理界頗具影響力的重要研究成果，使中國高能物理研究步入了世界前沿。并且，北京正負電子對撞機兼作同步輻射裝置，為材料科學、生物醫學等相關基礎及應用研究提供了重要的實驗平臺，取得了包括SARS冠狀病毒蛋白酶大分子結構解析在內的多項重要成果。除此之外，這些大科學裝置的建設還推動了中國精密機械加工、精密電子學等高新技術行業的發展。

粒子加速器是一種通過人工方法產生高速帶電粒子的裝置，堪稱20世紀人類最為重要的發明之一。粒子加速器的誕生和發展與近代物理的發展密不可分。20世紀初，英國科學家盧瑟福開展了科學史上著名的“α粒子散射實驗”，并依據該實驗提出原子的核式結構模型。這一開創性的實驗對近代物理有著舉足輕重的影響。為了探究原子內部的精細結構，就需要把高能量的粒子當作“炮彈”，去轟擊原子或原子核。于是，一個相應的問題便隨之而來，能否通過人工加速帶電粒子來作為核物理實驗的“炮彈”呢？這個問題激發了全世界一代又一代的科學家不斷投入精力，致力于研究和發展能將粒子加速至更高能量的原理和手段。自20世紀30年代世界上建造出第一臺加速器起，在不到百年時間里，人類所能加速的能量實現驚人的發展。大概每隔10年，所能加速的能量提升約1個量級。1932年，美國科學家勞倫斯建成了世界上首臺回旋加速器，并使用該裝置產生了人工放射性同位素。他因此獲得了1939年的諾貝爾物理學獎。1940—1960年，加速器科學家先后提出了自動穩相原理、強聚焦原理、對撞機原理。這些原理構成了現代高能粒子加速器的發展基石。基于這些原理，世界各國紛紛建造了各種大型的高能加速器和對撞機，使產生高能反應的等效能量提高到10~1000 TeV。

粒子加速器是一門多專業交叉融合的綜合性學科，涵蓋了加速器物理和微波、磁鐵、電源、精密機械、超高真空、束流測控、輻射防護等眾多技術領域。由于其復雜性，大型粒子加速器的建設和運行需要一支上百人組成、多專業交叉的研究團隊。很多國家通過建立國家實驗室的形式來推動粒子加速器大科學裝置的建設。例如，美國布魯克海文國家實驗室建設了世界首臺基于強聚焦原理的質子加速器，與之相關的物理實驗催生了4項諾貝爾物理學獎。歐洲核子中心建成了目前世界規模最大的對撞機——大型強子對撞機。其儲存環周長達到27 km，質子能量高達7 TeV。2012年，實驗物理學家借助大型強子對撞機發現了希格斯粒子，提出希格斯粒子理論的2位科學家也因此榮膺2013年的諾貝爾物理學獎。粒子加速器發展至今，在基礎研究、國家安全以及社會民生等多領域均有重要而廣泛的應用。

在基礎研究領域，粒子加速器的一個重要的發展方向是同步輻射光源。根據電磁場理論，當電子以接近光速作彎轉運動時，會沿其軌道切線方向發射電磁波，這就像雨天我們轉動雨傘時所看到的情景一樣。因為這種電磁波是在電子同步加速器上被首次觀測到的，因此被命名為同步輻射。用于產生和利用同步輻射的科學裝置便是同步輻射光源（圖1）。同步輻射光源所產生的同步輻射光具有寬波段、高準直、高偏振、高亮度、高穩定性、可供多用戶同時使用等優異性能。發展至今，全世界有超過50臺同步輻射光源同時運行，已然成為物理化學、能源環境、生物醫學等諸多科學領域進行前沿研究的重要工具。

圖1 同步輻射光源示意

從光源整體層面來看，在同步輻射光源的眾多性能指標中，亮度占據著最為重要的地位。亮度與電子束流強之間存在著正比關系，與電子束流發射度大致成反比關系，同時還與輻射元件參數密切相關。站在粒子加速器的視角，電子束自然發射度（電子束在四維或六維相空間中所占據的體積）是電子儲存環的一個最重要的指標，也是決定光源亮度的首要因素。

在20世紀，基于電子儲存環的同步輻射光源已經歷了3代的重要變革：第一代同步輻射光源“寄生”于環形對撞機，屬于“兼用光源”，其電子束自然發射度在100 nm·rad量級；第二代同步輻射光源的儲存環是專門為使用同步輻射光而設計的，電子束自然發射度降至10 nm·rad量級，其同步輻射主要從偏轉磁鐵引出；第三代同步輻射光源在儲存環設計中采用雙彎鐵或三彎鐵消色散結構，將電子束自然發射度降至1 nm·rad量級，并大量使用插入件，從而使同步輻射亮度得到了極大提升。根據儲存環的電子能量不同，同步輻射光源還可分為低能光源（低于2 GeV）、中能光源（約3 GeV）和高能光源（5 GeV以上）。

進入21世紀，世界各國紛紛推出未來光源的發展規劃。發展新一代光源，對于服務國家經濟社會發展，滿足基礎科學前沿研究需求，以及在激烈的國際競爭中占據有利地位均有至關重要的意義。新一代光源有幾個重要的發展方向，即基于直線加速器的能量回收型加速器光源、自由電子激光和衍射極限儲存環光源。其中，以2009年美國斯坦福直線加速器中心國家實驗室建成世界第一臺硬X射線自由電子激光裝置——直線加速器相干光源LCLS為標志，自由電子激光率先取得突破。它具有超高峰值亮度（相比第三代光源高約10個數量級）、全相干、超短脈沖等優異性能。衍射極限儲存環光源在2010年左右成功突破小孔徑磁鐵與真空技術等關鍵技術，確立了以多彎鐵消色散（multi-bend achromat，MBA）結構為主要特征的技術路線。以2016年世界首臺MBA光源——瑞典MAX IV光源建成為標志，世界正式進入第四代同步輻射光源時代。在能量回收型加速器光源方面，專家也正開展相關原理及關鍵技術研究。

過去幾十年中，中國已建成位于中低能區的第一代光源——北京同步輻射裝置（1989年建設完成）、位于低能區的第二代光源——合肥同步輻射裝置（1989年建成出光）以及位于中能區的第三代光源——上海同步輻射光源（2009建設完成）；目前正在北京和合肥分別建設位于高能區和低能區的第四代同步輻射光源——高能同步輻射光源（High Energy Photon Source，HEPS）和合肥先進光源（Hefei Advanced Light Facility，HALF）。下面介紹第四代同步輻射光源的技術特點及設計挑戰、國內外發展狀況以及中國首臺第四代同步輻射光源HEPS的設計建設歷程。

02

?第四代同步輻射光源

2.1

第四代同步輻射光源的技術特點與設計挑戰

第四代同步輻射光源的電子儲存環在設計上普遍采用了緊湊型MBA結構。通過增加儲存環內部彎轉磁鐵（二極磁鐵）的數量，并采用強橫向聚焦，使得在周長和造價均與第三代光源處于同等量級的條件下，將電子束自然發射度進一步降低1~2個量級，達到0.01~0.1 nm·rad量級，接近或達到X射線的衍射極限。此外，第四代同步輻射光源通過保持與第三代光源相當的流強水平，研發并采用最前沿的插入件技術，將亮度提升2~3個量級。

第四代同步輻射光擁有2項關鍵技術，即小孔徑磁鐵和真空技術。相比第三代光源，在相近周長的情況下，第四代同步輻射光源需要安裝更多彎轉磁鐵和聚焦磁鐵（四極磁鐵），且要求聚焦磁鐵具有更短的長度以及更強的積分磁場。這種要求也就必然需要盡可能地提高四極磁鐵的聚焦梯度。聚焦梯度與磁鐵孔徑和磁鐵極面的飽和磁場相互關聯。為此，一方面需要最大程度減小磁鐵孔徑，如將磁鐵孔徑減小至25 mm左右；另一方面，需要盡量提高極面磁場，如通過采用高磁導率或永磁材料的方式，將極面磁場飽和上限提高到1 T及以上。通過這些方式，第四代同步輻射光源中四極磁鐵的聚焦梯度最終達到第三代光源水平的3~5倍。由于磁鐵孔徑減小，真空室尺寸也要相應減小。而這會導致傳統真空獲取的效率大幅降低，必須發展新的真空獲取技術，如真空室內壁非蒸散型吸氣劑鍍膜技術。除了這2項關鍵技術，第四代同步輻射光源還面臨緊湊型MBA結構設計帶來的一系列連鎖式的加速器物理與技術挑戰。

為了實現超低束流發射度這一目標，不僅需要增加二極磁鐵的數量，還需要采用更強的橫向聚焦四極磁鐵以及更強的用于色品校正的六極磁鐵。強橫向聚焦會使束流位置及其他性能參數對實際機器中必然存在的誤差更為敏感。為了將第四代同步輻射光源中的誤差效應控制在可接受范圍之內，需要從如下2方面著手：一方面，對與誤差源相關的各項技術、各個環節（諸如磁鐵加工、安裝準直、地基處理、電源穩定度和紋波抑制等）嚴格把關，提高相應的技術要求和工藝水平；另一方面，研發更為先進的束流校正及反饋方法和技術。例如，在加速器傳統設計中，真空室尺寸與誤差引起的束流軌道畸變基本相當。而在第四代同步輻射光源中，這一原則被突破，其束流軌道畸變顯著大于真空室尺寸。這就導致在儲存環初期調束時，對束流軌跡進行校正以實現束流首圈、多圈循環乃至最終存儲極為困難，面臨極大挑戰。為此，加速器專家結合束流位置逐圈探測技術，開發出自動首圈調試方法，提高了儲存環首圈調試的效率。另外，第四代同步輻射光源中的電子束尺寸更小，為了實現設計亮度，必須將電子束的軌道波動控制在電子束尺寸的10%以內。為此，加速器專家開發出反饋帶寬更高的快軌道反饋系統，以將電子束的軌道波動控制在亞微米量級。

強六極磁鐵給束流帶來強烈的非線性擾動，這使得非線性束流動力學所決定的動力學接受度相較第三代光源顯著減小，如動力學孔徑就由10 mm以上減小至1 mm量級。傳統的脈沖凸軌注入技術對動力學孔徑有較高要求，很難應用于第四代同步輻射光源。于是，加速器專家提出了新的、適用于小動力學孔徑的在軸注入方法和技術。此類方法可有效減小注入對動力學孔徑的需求，有利于最大限度地降低束流發射度。不過，這對注入系統硬件和注入器設計也提出全新的或更高的要求。例如，需要開發出納秒量級的超快脈沖沖擊器及其驅動電源技術，還需要注入器提供發射度更小、位置和電荷量穩定性更好的電子束。

由于磁鐵布局緊湊，磁鐵間的磁場干涉效應變得更為顯著。這就需要針對多磁鐵聯合三維磁場分布進行模擬和測量，并與物理建模、分析相互迭代。超低發射度使電子密度增加，小尺寸真空室會引起更強的束流阻抗。在這種情況下，要想在與第三代光源相當的百毫安量級的流強下保持束流穩定是極具挑戰的。這就需要對逐個元件進行系統而細致的阻抗建模與測量，同時綜合采用多種抑制和校正方法或技術，確保不穩定性發生的流強閾值高于運行流強。而且，高密度的電子束和光子束也對相關屏蔽和機器保護系統設計提出了更高要求，需要深入開展設計研究，以保證裝置運行過程中的人身和設備安全。

總體而言，大科學裝置所具有的科研、技術、工程三重屬性在第四代同步輻射光源表現得非常突出。它對加速器物理與相關技術均提出極高的要求，物理與技術二者的關系愈發緊密難分，相互影響，相互制約，共同決定著光源裝置的整體性能。例如，當某一項關鍵技術未能取得有效突破時，該技術瓶頸就會嚴重影響光源的物理設計及參數的選擇。因此，第四代同步輻射光源必須在周全考慮各類技術條件邊界的基礎上，在多維變量空間對光源開展物理設計和全局優化。其整體設計與建設需在物理設計與技術路線之間加以綜合考量與權衡，從而在先進性、可行性、穩定性、經濟性等目標之間達到合理平衡。

2.2

第四代同步輻射光源的發展現狀

近10年來，世界各國積極開展第四代同步輻射光源的設計與建設。截至2024年，全球范圍內已建成、正在建設或即將建設的第四代同步輻射光源達10余臺。

瑞典的MAX IV是世界第一臺第四代同步輻射光源。其儲存環采用MBA結構設計，并集成了小孔徑磁鐵與真空技術，首次在世界上將電子束自然發射度降低至百pm·rad量級（在3 GeV下約330 pm·rad）。該光源于2016年建成并向用戶開放，目前運行流強為300 mA。巴西的Sirius光源是世界第二臺第四代同步輻射光源。其儲存環電子能量為3 GeV，周長為518 m，自然發射度為250 pm·rad。該光源于2019年調試出光，如今運行流強為100 mA。歐洲的同步輻射裝置（ESRF-EBS）屬于世界上首臺由第三代升級而成的第四代同步輻射光源，同時也是首臺高能區第四代同步輻射光源。其儲存環電子能量為6 GeV，周長達844 m，自然發射度為133 pm·rad。該光源在國際上率先提出并采用了混合型MBA結構，有效克服了第四代高能區光源設計過程中，六極磁鐵強度過高給超低發射度設計帶來的限制。ESRF-EBS于2020年建成并向用戶開放，運行流強為200 mA。

美國正在建設的先進光子源APS-U同樣是由第三代升級的高能區第四代同步輻射光源。其儲存環電子能量為6 GeV，周長為1104 m，自然發射度為42 pm·rad。APS-U在國際上率先提出并采用了在軸置換注入方法和技術。在2024年，APS-U啟動并完成了電子儲存環調試，目前流強超過100 mA，正在進行光束線站調試。

中國正在建設HEPS和HALF，二者分別定位為具有世界先進水平的高能區和低能區的第四代同步輻射光源。其中，HEPS是在“十三五”期間獲批的國家重大科技基礎設施，由中國科學院高能物理研究所負責建造，于2019年在北京啟動建設，計劃于2025年建成。其儲存環電子能量為6 GeV，周長為1360 m，自然發射度約35 pm·rad。有關其設計建設情況將在下節詳細介紹。HALF是在“十四五”期間獲批的國家重大科技基礎設施，由中國科學技術大學負責建造，于2023年在合肥開工建設，計劃于2028年建成。其儲存環電子能量為2.2 GeV，周長為480 m，自然發射度為86 pm·rad。

2.3

HEPS

HEPS是中國也是亞洲首個第四代同步輻射光源項目，占地65.07 hm2（976畝），總投資47.6億元，同時是中國第一個高能區同步輻射光源項目。HEPS加速器主要包括一臺電子能量為0.5 GeV的直線加速器、一臺將電子能量由0.5 GeV升至6 GeV的增強器和一臺電子能量為6 GeV的儲存環。HEPS一期要建設14條公共光束線站，如硬X射線納米探針線站、硬X射線相干散射線站等。

自2019年6月啟動建設以來，HEPS已取得多項里程碑進展，受到國內外廣泛關注。

Nature、Science

設計和建設加速器大科學裝置，往往耗時10~20 a之久。早在21世紀初，中國科學院高能物理研究所的光源團隊就提出在北京建設一臺位于高能區的先進同步輻射光源，并基于該光源發展成為一個大型綜合性多學科科學中心的構想。自2007年起，該團隊與國內相關領域專家展開廣泛交流，明確了光源的科學意義、性能指標和主要研究定位。與此同時，光源的概念設計和前期研究工作也隨之啟動。在加速器建設過程中，物理設計是先行要素。在HEPS工程于2019年正式啟動之前的10余年間，光源加速器物理設計方案歷經多輪設計、論證、修改和迭代，終于在2014年初步確定了以混合型MBA結構為基礎的第四代同步輻射光源的主體設計路線。在2016年正式啟動的國家“十二五”國家重大科技基礎設施——HEPS-TF（HEPS驗證裝置）項目中，項目團隊歷時兩年半，完成了系統的光源物理方案設計及相關問題研究，實現了HEPS建設所需關鍵技術攻關和樣機預制研究，驗證了超高梯度磁鐵、真空室內壁吸氣劑鍍膜系統等高能區第四代同步輻射光源的關鍵技術的可行性，為HEPS啟動建設奠定了堅實基礎。

HEPS儲存環設計在國際通用的混合型MBA結構基礎上進行了創新，融合了包含縱向梯度二極鐵、反向彎轉二極鐵的新型單元節等多種方法，在周長為1360 m的范圍內實現約35 pm?rad的設計自然發射度。該指標居于世界領先水平。并且，在國際高能區第四代同步輻射光源設計中，HEPS率先提出并采用交替分布的高?低束流包絡函數的直線節設計，在不增加任何造價的條件下，使得半數直線節的亮度進一步提升30%。此外，HEPS在國際首次提出并采用基于增強器高能累積的在軸置換注入方案，能夠實現約15 nC電荷量的電子束的注入和存儲，為高電荷量束團置換注入開辟了新路徑，滿足了量子光學等前沿研究對單束團電荷量的需求。為了實現預期的加速器及光源整體性能，HEPS磁鐵、電源、真空、注入、機械、準直、高頻、束測、控制、定時、插入件等硬件方面的指標處于國內乃至國際領先水平。例如，HEPS縱向梯度二極磁鐵在國內首次實現了永磁方案的工程化應用，大大節約了光源運行的能源消耗；在國際上率先提出并成功研制了芒果型扭擺磁鐵；在國際上首次設計和制造四陣列Apple-Knot型波蕩器，該波蕩器具有低熱負載、極化可調等優勢。

HEPS光束線站容量不少于90個，能夠提供能量達300 keV的X射線，在典型硬X射線波段的同步輻射亮度達1×1022 phs/(s·mm2·mrad2·0.1%BW），具備10 nm量級空間分辨能力、1 meV量級能量分辨能力以及100 ps量級時間分辨能力。HEPS建成后，中國將成為世界上第3個擁有高能區第四代同步輻射光源的國家，實現中國同步輻射光源能區的全面覆蓋，為能源環境、生物醫學、先進材料等諸多領域的前沿研究提供強有力的支撐。

03

?加速器光源的未來發展展望

當前，國際同步輻射光源領域已然步入了第四代同步輻射光源時代，中國正在積極投身于第四代同步輻射光源的設計研制。當下的核心任務是按計劃高水平如期建成HEPS、HALF等第四代同步輻射光源裝置。此后，按照國際通行做法，根據國家戰略和前沿研究需求，分批次規劃布局光束線站建設。憑借這些先進的光源裝置，吸引全世界的科研人員前來開展合作研究，培育并匯聚一批頂尖科技人才，推動多學科交叉融合和突破創新，充分發揮第四代同步輻射光源作為科技創新基礎平臺所具備的全部潛能。

對同步輻射光源的發展歷程加以審視，每一代光源從概念的萌生到實際的達成，從初次構建到走向成熟，均需要15~20 a時間。當前，第四代同步輻射光源正處于蓬勃發展階段，有必要持續深入地針對基于第四代同步輻射光源的核心物理問題、關鍵技術與方法展開研究，實現裝置高水平穩定運行，并不斷提升光源性能。

電子束的自然發射度是同步輻射光源最為關鍵的指標之一。目前已建及在建的第四代同步輻射光源已將自然發射度的指標推進至10 pm·rad量級水平。在未來的5~10 a，如何有效突破當前超低發射度儲存環的物理設計瓶頸，提出新的設計理論或思路，實現1 pm?rad量級極低發射度的可行設計，將會成為光源加速器領域內競爭異常激烈的前沿研究課題。

在實現第四代同步輻射光源超高性能的同時，確保裝置的高水平穩定運行，是第四代同步輻射光源作為平臺型大科學裝置的一項極為關鍵的基本需求。因此，有必要進一步發展和完善針對軌道、發射度等束流關鍵參數的補償方法與技術。在近10年“人工智能驅動的科學研究”（AI for Science，AI4S）的浪潮下，如何把大數據、機器學習與人工智能技術同大型加速器日常運行產生的海量數據有機結合，發展基于人工智能的大型粒子加速器裝置的設計、預測和控制，實現機器及束流狀態的實時監測、快速診斷和控制，發展并建成智能化光源，這將會是包括第四代同步輻射光源在內的加速器光源發展的又一個重要課題。

另一方面，中國還需要積極開展有關下一代光源的原理探索、可行性驗證及設計研究，從而為中國同步輻射光源實現未來的代際跨越培育理論與技術根基。第四代同步輻射光源有高穩定性、可供多用戶同時使用等優異性能，但在峰值亮度、縱向相干性等方面與自由電子激光相比存在著巨大差距，而自由電子激光在穩定性、多用戶支撐性等方面尚有廣闊的發展空間。如何有效地將二者結合，發展性能更優異、運行更穩定的加速器光源，這是未來新一代加速器光源的一個重要研究方向。另外，基于等離子體尾波加速等新原理的先進光源，同樣也是未來新一代光源的潛在發展方向。除了追求更高的光源性能，未來新一代加速器光源作為大科學裝置，也需要在其可行性、穩定性、經濟性等方面開展更多的探索及驗證研究。

本文作者：焦毅

作者簡介：焦毅， 中國科學院高能物理研究所，中國科學院大學，研究員，研究方向為加速器物理。

文章來源：焦毅 . 粒子加速器驅動的同步輻射光源：現狀與展望[J]. 科技導報, 2025, 43(5): 37-44 .

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