比太阳亮一万亿倍？我们为什么需要这么亮的光？

高能同步辐射光源

位于北京市怀柔区雁栖湖畔的“高能同步辐射光源”（HEPS），是中国正在建设的重大科技基础设施，即我们常听说的“大科学装置”。建成后，它将是中国第一台高能同步辐射光源，也是全球设计亮度最高的第4代同步辐射光源。它的独特外观充满了未来感，在周边湖光山影的衬托下，不断散发出令人难以抗拒的科技之美。

相比世界范围内广泛建造的第3代同步辐射光源，HEPS的电子束发射度降低了1～2个数量级，由此造出比太阳还亮1万亿倍的强X射线，是一台不折不扣的“超级显微镜”。在它的慧眼下，材料原子分子尺度的深层机密——无论是微观结构还是动态过程——都将被看得通通透透。这对中国的高端制造乃至工业进步，以及前沿科学探索，都将产生无可替代的强大推动作用。

比太阳还亮1万亿倍

HEPS可以产生极亮的X射线，甚至“比太阳还亮1万亿倍”。那么，同步辐射生成的这么亮的X射线，它究竟有什么用呢？ 

其实，你可以把它理解成是一台“超级显微镜”。在很多科研领域里，它的作用是无可替代的。

比如在生物学领域，通过同步辐射X射线，可以对非人灵长类（例如狨猴）的神经元做全脑无损3D成像，以深入探究脑科学的终极秘密。芯片是半导体领域的关键角色，利用同步辐射光源产生的X射线，就可以做到芯片微观结构的无损检测。

 图源：pixabay 

这类超精细的探测能力，其他探测技术难以实现、是同步辐射光源才有的独门绝技。

 （绘图 / 曲怡静） 

图中是一支神奇的X射线手电筒，为了帮助理解，其实不能被人眼看到的X射线也被画了出来。在透射样本时，更亮的X射线显然有助于我们发现更多的细节。比如在古生物科学领域中，同步辐射X射线相关技术，能够为古生物化石样品研究提供“快速、高效、无损”的形貌和化学研究途径，在微观层面深入分析化石所保存的生物学信息。

为什么要制造这么强的光？

有了光，我们才能看到物体。人眼的分辨极限在几十微米，当我们想看清更微细的结构时，就要用到光学显微镜。但受限于可见光波长的衍射极限，一般光学显微镜的分辨极限大约为0.2微米，再小的结构就看不清了。由于物质的性质和功能往往取决于分子甚至原子层面的结构，要得到更高分辨率的图像，就要用到波长比可见光短很多的、与原子分子尺寸相当的X射线。

但要看清更微观的物质结构，仅波长短还不够，还必须有足够多的光子，这就像我们夜晚要用较亮的手电筒才能看清楚东西一样。X射线可以穿透物体，但如果它不够亮，我们也很难通过它获得足够的信息，看清物体结构的细节。要么我们只能得到一些粗陋的物质结构信息，无法分辨细微的部分；要么就必须花时间累积足够多的光子数，而这就牺牲了“时间分辨”能力，使我们无法观察结构发生动态变化的过程。很多时候，科研人员需要观测样品在使用环境中的动态信息，而光太弱，只会让大家在黑暗中摸索。

为此，人们一直在追求制造出更亮的X射线。20世纪40年代，人们发现了作为高能加速器副产物的同步辐射，它可以提供比传统实验室X射线装置更亮的X射线。进入20世纪80年代后，同步辐射X射线用于科学研究的巨大潜力被广泛认知，同步辐射装置也随之进入了高速建设和发展的时代。

X射线是怎样产生的？HEPS是怎样运作的？中国的同步辐射光源之路有着哪些奋斗故事？

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