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中國計劃耗資48億建世界最亮同步輻射光源

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1月18日,記者在香山科學會議第586次學術討論會上獲悉,“十三五”期間,中國將在北京建設一臺高性能的高能同步輻射光源(High Energy Photon Source,HEPS)——北京光源,設計亮度及相干度高于世界現有、在建或計劃中的光源。專家們認為,這一新光源的建成將在滿足國家需求的同時,對多個基礎科學領域前沿研究發揮關鍵支撐作用,成為我國同步輻射光源和應用邁向世界先進水平的重要一步。

目前,全世界已相繼建成50多臺同步輻射光源,提供不同能區的X射線及各種先進的實驗技術,為多學科的創新研究提供支撐。上海光源的建成使我國在中能X射線區進入了國際先進水平。為進一步提高國家安全和工業核心創新能力,我國迫切需要一臺高能同步輻射光源。

會議執行主席之一、中國科學院高能物理研究所研究員董宇輝介紹,該光源采用了能夠大幅度降低儲存環電子發射度的“多彎鐵色散”結構,能使電子發射度低于0.1納米弧度(nm·rad),接近衍射極限。經過適當的改進之后,發射度能夠達到衍射極限(0.01納米弧度)。由于各項關鍵性能指標遠高于目前正在運行的第三代同步輻射光源,衍射極限光源也被稱為“第四代同步輻射光源”。

極低的電子發射度保證了X射線的亮度,它將提供光子能量達到300電子伏特(keV)的硬X射線,并在X射線波段的單位時間通過單位面積、在單位角度方向上通過的光子數(光譜亮度)達10的22次方個。這一亮度比世界現有最亮同步輻射光源美國國家同步輻射光源II(NSLS-II)高70倍,比瑞典MAX IV高10倍。

科學家們相信,這將使原有的實驗技術能力獲得巨大提升。例如,高能量的光子具有較高的穿透能力,意味著我們可以對真實的工程部件而不是實驗室樣品開展研究,并對這些部件在實際生產及服役過程中的變化進行實時研究。“這對工程材料等國家重大需求至關重要。”董宇輝表示。

同時,極低的電子發射度還有望使X射線的分辨率達到“毫電子伏特”量級,也可以將X射線聚焦到納米量級的光斑中,同時還具有良好的相干性,這些能力將催生新的實驗技術。例如,在生命科學、環境科學、介觀科學等領域,聚焦到納米量級的X射線將催生納米分辨率X射線熒光成像、吸收譜學成像等技術。

例如,準衍射極限高能光源提供的高通量、高品質X射線將對十微米到十納米介觀尺度的科學研究打開一片新天地。“材料老化、應力的形成模式,細胞、血液在單根血管里的流動,微納米級器件的工作情況,鋰電池鋰離子的注入和抽出,甚至基礎物理中關聯體系諸多衍生現象等等,都發生在這一介觀尺度。”會議執行主席之一、中國科學院物理研究所研究員丁洪說。

“北京光源的建設將兼顧通用性和專用性,應在科學基礎和經驗的不斷積累下發展。”董宇輝告訴《中國科學報》記者,“一方面在同步輻射科學前沿上不懈追求,另一方面也要圍繞用戶需求開展研發。”

據記者了解,高能同步輻射光源項目已列入國家發展改革委發布的國家重大科技基礎設施建設“十三五”規劃,也是中科院與北京市共建懷柔科學城的核心。該項目預計2018年11月份開工,工期歷時約6年,計劃耗資48億元。

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責任編輯: 李浩

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