大國之“光”

中國大科學裝置巡禮系列報道

當人類凝視宇宙的深邃，總渴望借助一束光穿透未知。大科學裝置正是這樣一束光——它照亮微觀粒子的精妙舞蹈，解碼生命起源的原始密碼，甚至讓轉瞬即逝的量子躍遷凝固成可供研究的“標本”。

此次，我們將重磅推出《大國之“光”——中國大科學裝置巡禮系列報道》，以“光”為線索，走進這些中國大科學裝置的殿堂，聚焦激光與光源領域的核心設施，開啟一場跨越時空的“追光之旅”——

從每秒振蕩萬億次的飛秒激光，到能穿透物質骨骼的同步輻射光源，從捕捉“幽靈粒子”的地下迷宮，到再現太陽核心能量的超強激光裝置……

在這里，我們將以全景視角展現這些科學利器的非凡魅力，揭秘這些“超級工具”如何解碼微觀世界、探索宇宙奧秘、賦能人類生活。

從南海之濱到燕山腳下，從地下實驗室到深空觀測站，中國大科學裝置集群正編織著一張立體的創新網絡。

據透露，目前，中國已建成運行57個大科學裝置，在材料、能源、生命科學等領域構筑起立體化創新矩陣。這些被稱為“國之重器”的超級工具，不僅是衡量國家科技實力的標尺，更是人類探索自然奧秘的階梯。

當我們凝視這些照亮未知領域的“中國之光”，看到的不僅是科技實力的具象刻度，更是一個文明古國在創新長跑中重新定義領跑姿態的“精神光譜”。今日推出《大國之“光”——中國大科學裝置巡禮系列報道》之二北京懷柔同步輻射光源（HEPS）：

“超級X光機”如何點亮微觀世界？

在北京市懷柔區雁棲湖畔，一座外形酷似放大鏡的巨型建筑悄然矗立。它不是普通的科研實驗室，而是我國最新一代高能同步輻射光源——北京懷柔同步輻射光源（High Energy Photon Source，簡稱HEPS）

從空中俯瞰，HEPS主體建筑群宛如一個巨大的“放大鏡”，靜臥于雁棲湖畔的青山綠水之間。這枚占地976畝、周長超過1360米的“科學放大鏡”，宏偉的“鏡框”環抱著加速器隧道。

2024年10月12日，經過5年多的建設，這座被譽為“超大號X光機”的裝置成功發出了“第一束光”，標志著我國在同步輻射光源領域邁出了重要一步。

這項工程不僅是中國科學家智慧與毅力的結晶，更是全球高能同步輻射領域的重大突破。HEPS產生的光比太陽還要亮一萬億倍，堪稱世界上最亮的“X光機”。

它將幫助人類“看清”微觀世界中的每一個細節：從航天材料的微裂紋，到蛋白質分子結構，再到腦神經元活動軌跡，并為航空航天、生物醫藥、能源環境等前沿領域提供強有力的支撐。

它不僅是北京懷柔綜合性國家科學城的核心地標，更是我國“十三五”期間優先布局、攻堅克難建成的“大國重器”。自2019年6月破土動工，歷經5年多的緊張建設，HEPS終于成功點亮，即將為揭示物質最深層的奧秘、驅動前沿科技創新，發出屬于中國的、最耀眼的科學之光。

1

照亮納米世界的“超級放大鏡”

置身懷柔科學城，HEPS以其獨特而富有深意的建筑造型成為最引人注目的科學地標。

整個園區由三棟主體建筑構成，整體設計巧妙地呈現為一個巨大的“放大鏡”形態。其“鏡框”部分是一個周長1360多米的巨型環形建筑，內部容納著光源的核心裝置——電子儲存環；“手柄”位置則是綜合實驗樓和用戶服務樓，為未來的科研用戶提供支持。

據介紹，整個項目占地達976畝，相當于90個標準足球場大小。在實驗大廳內部，為了應對如此龐大的空間，工作人員甚至需要騎行自行車穿梭以提高效率，足見其規模之宏大。

值得注意的是，HEPS的建設堪稱一場科技“馬拉松”——自2019年6月啟動以來，2000余名建設者歷經5年攻堅，攻克了加速器精密調控、超高真空環境維持等數百項技術難題。2023年3月直線加速器滿能量出束，2024年7月儲存環全環貫通，直至2024年10月“第一束光”誕生，每一步都刷新著中國同步輻射光源的新高度。

作為第四代光源的代表，HEPS的“高能”屬性令人驚嘆。其電子束能量達6GeV，亮度是醫用X光機的十萬億倍。

有專家說，若將傳統光源比作手電筒，HEPS則相當于一盞“探照燈”——它能穿透厘米級金屬，捕捉納米級結構的動態演變。這種能力使其成為研究催化劑反應、蛋白質折疊、航空材料疲勞損傷等復雜問題的理想工具。

與其他大科學裝置互補，HEPS的布局彰顯戰略深意。HEPS的建成，將我國同步輻射光源研究能力從第一代（北京同步輻射裝置）、第二代（合肥光源）、第三代（上海光源），一舉推進到國際最前沿的第四代，填補了從原子尺度到宏觀工程材料的全鏈條研究空白。

2

“超大號X光機”發出“第一束光”

自2019年6月啟動建設以來，HEPS項目不斷取得階段性成果。

2021年6月28日，第一臺科研設備安裝；2023年3月14日，直線加速器滿能量出束；2024年7月1日，儲存環全環貫通進入聯調階段。

2024年10月12日21時30分，HEPS實驗大廳氣氛凝重。HEPS常務副總指揮董宇輝團隊將一張橙色膠片裝入成像站，關閉防輻射門后按下按鈕。

當光閘開啟的剎那，一束肉眼不可見的“能量之箭”穿透樣品，膠片上逐漸浮現出邊緣銳利的黑斑——這正是HEPS的“第一束光”留下的印記。

董宇輝也在上面記錄了此珍貴的時刻：高能同步輻射光源發出“第一束光”“2024.10.12 21:30”“曝光0.1s（秒）”

據專家介紹，由于裝置發出的光不是可見光，人眼無法直觀感受到它的存在。同步輻射光源不是像電燈、蠟燭那樣發出的一種簡單的光，它是不能直接被看到的X光。HEPS就像一個超級放大鏡一樣能將微觀物質看得很清楚，相當于一個巨型X光機，可以檢測到航天材料在加工和服役過程中有沒有裂痕，也可以看到細胞分子結構。

“第一束光”的實驗數據令人振奮。團隊用它對預制裂紋的不銹鋼板成像，發現可檢測到的微裂紋數量比傳統光源增加數倍，分辨率達到30納米——相當于看清一根頭發絲直徑的萬分之一。這一突破意味著，未來航天器發動機的葉片裂紋、鋰電池材料的結構演化都將無所遁形。

潘衛民總指揮用“手電筒與探照燈”比喻光源迭代：“太陽照在身上只能感知溫暖，但X光能透視骨骼。HEPS不僅是亮度的飛躍，更是研究范式的革新。”

3

從材料到生命的全維“解碼”

HEPS的“超能力”正在轉化為實實在在的科研突破。

據介紹，首期建設的14條光束線站中，硬X射線成像線站（HXI）堪稱“明星”。它能實現強穿透性與高靈敏度的統一，為航空發動機渦輪葉片做“CT掃描”，實時觀測材料在高溫高壓下的損傷過程。

在生命科學領域，HEPS與多模態跨尺度生物醫學成像設施形成“雙璧”。通過整合冷凍電鏡、原子力顯微鏡等技術，構建從分子到人體的全景式成像體系。2025年3月，該設施發布的十大成果中，微型雙光子顯微鏡僅重2.2克，卻能讓實驗鼠佩戴著“跑”起來，記錄自由活動中的神經元活動；全人體PET-CT則實現了腫瘤早期微小病灶的精準定位。

兩者的結合，正催生全新的研究模式。例如，科學家利用HEPS解析病毒蛋白結構，再用多模態成像設施追蹤其在活體細胞內的復制路徑，為新藥研發提供“原子級”靶點。這種跨尺度、多模態的研究范式，或將加速癌癥、阿爾茨海默病等疑難疾病的攻克。

更深遠的影響在于產業變革。航天領域，HEPS可模擬太空極端環境對材料的影響，助力國產大飛機發動機葉片研發；能源領域，它能優化光伏電池晶格結構，提升光電轉化效率；環保領域，通過解析催化劑表面反應機制，為碳捕捉技術開辟新路徑。

4

懷柔科學城打造世界級原始創新策源地

HEPS的崛起，僅是懷柔科學城建設的縮影。

這片100.9平方公里的土地上，37個大科學裝置正構成全球領先的“科研矩陣”。地球系統數值模擬裝置可復現全球氣候變化，綜合極端條件實驗裝置能創造接近絕對零度的極端環境……

這些“國之重器”協同發力，使我國在物質科學、生命科學等領域實現從“跟跑”到“領跑”的跨越。

科學城的“磁吸效應”正在顯現。這里集聚了78位兩院院士、19名諾獎得主，每年產出重大科技成果300余項。2023年，懷柔科學城斬獲國家科學技術獎13項，其中國家自然科學一等獎首次花落于此。

“我們不僅要做‘科學燈塔’，更要成為‘創新生態池’。”懷柔科學城管委會有關負責人介紹，多模態成像設施已與法國居里研究所共建國際聯盟，HEPS的測試機時向中小企業開放，甚至催生了國產高端X射線源的產業化突破。

激光制造網 編輯：十一郎

陳長軍轉載

熱忱歡迎參加我們在2025年9月23-25日舉辦的第三屆深圳eVTOL展和激光在低空經濟中的應用大會（9月24日）