聚焦大国重器：专访焦毅谈粒子加速器驱动的同步辐射光源

粒子加速器作为一种通过人工方法产生高速带电粒子的大科学装置，在世界科学技术的发展进程中发挥着非常关键的作用。作为利用相对论电子产生同步辐射的粒子加速器，同步辐射光源迄今已历经4代的发展，在基础科学研究和应用科学领域扮演越来越重要的角色。

近10年来，世界各国积极开展第四代同步辐射光源的设计与建设。发展新一代光源，对于服务国家经济社会发展，满足基础科学前沿研究需求，以及在激烈的国际竞争中占据有利地位均有至关重要的意义。截至2024年，全球范围内已建成、正在建设或即将建设的第四代同步辐射光源达10余台。

我国正在北京与合肥分别建设高能同步辐射光源（HEPS）和合肥先进光源（HALF），二者分别定位为具有世界先进水平的高能区和低能区的第四代同步辐射光源。其中HEPS作为中国也是亚洲首个第四代同步辐射光源项目，已取得了多项里程碑进展，受到国内外广泛关注。

那么我国粒子加速器的发展现状如何？第四代同步辐射光源的技术特点及设计挑战有哪些？HEPS的设计建设历程是怎样的？《科技导报》新媒体就此专访了中国科学院高能物理研究所研究员焦毅。

问：可否简要为我们介绍下我国粒子加速器大科学装置的现状及应用场景？

答：我国已建成包括北京正负电子对撞机（BEPC）、合肥同步辐射装置（HLS）、兰州重离子加速器（HIRFL） 和上海同步辐射光源（SSRF）等粒子加速器大科学装置。这些装置的应用领域十分广泛，可覆盖高能物理、核物理、同步辐射应用等领域。其中，BEPC兼具对撞机与同步辐射光源功能，支撑了τ轻子质量精确测量、SARS病毒蛋白酶结构解析等突破性成果；SSRF作为我国大陆唯一的一台第三代中能同步辐射光源，为材料科学、生物医学等提供高亮度X射线，服务于全国数百个科研团队；此外，在建的HEPS（我国第一台高能区同步辐射光源，也是我国及亚洲第一台第四代同步辐射光源）与HALF（低能区第四代同步辐射光源）将实现我国同步辐射能区全覆盖，进一步满足能源环境、先进材料等前沿研究需求。

问：第四代同步辐射光源相比前三代，核心技术突破体现在哪些方面？

答：第四代光源的核心突破体现在加速器设计的革新上，特别是采用了紧凑型多弯铁消色散结构。这一结构通过增加弯转磁铁数量，并采用强横向聚焦，将电子束自然发射度降至0.01–0.1nm·rad，较第三代提升了1–2个量级，已接近X射线衍射极限，进而实现光源性能的代际跨越。与这种新型加速器设计相匹配的新技术还有几个：

• 一是小孔径磁铁与真空技术，它将磁铁孔径缩小至25mm左右，四极磁铁梯度达第三代的3–5倍，同时结合真空室内壁吸气剂镀膜技术解决小孔径条件下真空获取难题；

• 二是先进的注入及束流轨道反馈技术，像开发“在轴置换注入”方案（如HEPS）解决小动力学孔径注入问题，同时发展亚微米级快轨道反馈系统控制束流波动。