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。

焦毅

中国科学院高能物理研究所，中国科学院大学。研究员，研究方向为加速器物理。

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。

问：HEPS所采用的混合型MBA结构与紧凑型MBA结构相比有哪些优化创新？

答：混合型MBA结构是国际通用的一种MBA结构。而HEPS的混合型MBA结构在此基础上，融合了3项创新设计。首先，通过采用包含纵向梯度二极铁、反向弯转二极铁的新型单元节等方法，将发射度降低约40%。此外，还提出了新型弯铁辐射源方案；最后在国际高能区第四代光源中，我们的团队还创新提出并采用了交替分布的高-低束流包络直线节设计，这种设计不增加任何造价，却能让半数直线节亮度提升约30%。

问：截至目前我国的HEPS和HALF目前建设进展如何？预计何时能投入使用？

答：HEPS，也就是高能同步辐射光源，它在2019年正式启动建设。到2023年，直线加速器、增强器完成了束流调试与内部工艺验收；2024年7月，储存环设备安装完成，并成功出束，截至2025年初，储存环束流流强超过40mA；2025年3月启动了加速器——束线联合调试。按照计划，HEPS预计将于2025年底启动试运行。再看HALF也就是合肥先进光源，它在2023年启动建设，目前正处于土建施工和设备研制阶段，计划在2028年完成建设工作。

问：第四代同步辐射光源建设完成并投入使用后将会对我国的能源环境、生物医学、先进材料等领域带来哪些应用进展？

答：同步辐射光源的本质其实是X光，以光为尺，用来表征和解析物质的微观结构。且同步光具有时间脉冲结构、相干性，因此也可以用于时间分辨、非弹性物质的结构表征解析实验，像HEPS的时间分辨率能达到皮秒量级，这就好比能给原子分子的运动拍电影。第四代光源预计能对不少领域产生强大推动，我举几个例子来说吧。

在能源环境领域，它可以利用X射线纳米分辨显微成像等方法解析电池结构演变与电化学性能，助力高效储能器件开发；

在生物医学领域，它可以利用高分辨成像实现神经元分辨的全脑无损三维成像，推动介观分辨脑图谱研究；

在先进材料领域，HEPS光源可以将动态表征的时空分辨推向纳米和纳秒量级，清晰地捕捉到增材制造过程中的微观组织缺陷，像熔池、孔洞、裂纹、应变和相变等动态过程的产生和演化，从而解析增材制造的“黑匣”过程。

问：近十年“人工智能驱动的科学研究”趋势下，大数据、人工智能领域会对加速器光源发展起到哪些助力？

答：结合人工智能技术，可以构建基于数据的装置动态模型，进而发展硬件巡检与故障预警新技术，同时还能研发友好型装置控制调试系统，并探索加速器及光束线站的智能诊断、反馈、调控方法，实现智能化的实验技术和数据分析。这些举措都将助力加速器光源大科学装置研究范式的突破。

问：您认为下一阶段加速器光源的潜在研究方向有哪些？

答：我认为有几个方面值得关注。例如极低发射度储存环，如能突破1pm·rad量级的设计瓶颈，将能实现亮度的再次提升；新光源原理与技术方面，正朝着融合第四代光源稳定性与自由电子激光峰值亮度优势的方向发展，同时也在探索基于等离子体尾波加速等新技术的加速器光源；另外，经济性与绿色化也是重要的发展方向，通过提高加速效率，如高效率速调管等，以及优化能耗，像永磁铁节电设计，来降低建设与运行成本。

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