高能同步輻射光源(High Energy Photon Source,HEPS)是國家重大科技基礎設施建設“十三五”規(guī)劃確定建設的十個重大科技基礎設施之一,是基礎科學和工程科學等領域原創(chuàng)性、突破性創(chuàng)新研究的重要支撐平臺。
HEPS是一臺電子能量為6GeV,發(fā)射度小于等于0.06nm×rad的高性能高能同步輻射光源,主要由加速器、光束線和實驗站組成,經過初步設計研究階段的優(yōu)化設計與采用最新技術,包括在高能同步輻射光源驗證裝置(HEPS-TF)中已經獲得突破的關鍵技術,HEPS既具有國際先進性,也適合中國國情,主要性能指標位居世界前列,具有世界最高光譜亮度,高于目前世界上現有和正在或即將建設的光源,并且還有進一步提高的空間。
使 命
HEPS作為第四代同步輻射光源,將是中國擁有的第一臺高能量同步輻射光源。高能同步輻射光源可以為我國開展與國家經濟社會發(fā)展以及工業(yè)創(chuàng)新密切相關的戰(zhàn)略性領域和方向的突破性科技創(chuàng)新提供強有力的支撐,同時為在眾多基礎科學的前沿開展更靈敏、更精細、更快、更復雜和更接近實際工作環(huán)境的科學研究提供適應調控時代要求的前所未有的實驗平臺,支撐科學研究更精細地以空間、時間、能量三個維度,從分子、原子、電子、自旋的水平認識物質(包括生命物質和非生命物質),進而實現多層次、多尺度的物質調控,為國家解決在資源、能源、環(huán)境、人口和健康諸多領域面臨的日益嚴峻的挑戰(zhàn)提供科學基礎。
建設內容
HEPS項目主要建設內容由加速器、光束線站、配套設施等構成,主要包括:
(一) 加速器主要建設電子能量為6千兆電子伏的儲存環(huán),以及為儲存環(huán)提供束流的直線加速器、輸運線和增強器等。
(二) 光束線站首批建設14條光束線和相應的實驗站等。
(三) 配套設施主要建設主體環(huán)形同步輻射光源實驗建筑、配套附屬建筑物,以及供水、供電、空調、輻射防護等通用設施。
科學目標
(一) 通過對微觀結構多維度、實時、原位表征,解析物質結構生成及其演化的全周期全過程。包括原位觀察復雜單晶生長以及加工過程,揭示多種單晶葉片常見缺陷的形成機制;對工程材料全壽命周期進行多尺度表征,探究材料性能和使用過程中失效的關鍵因素;解決高溫合金材料的制造、加工、服役和修復等環(huán)節(jié)中的偏析問題和應力問題。
(二) 揭示微觀物質結構生成演化的機制,剖析微觀物質構成,為物質調控提供基礎支撐。重點測定特殊材料的寬區(qū)狀態(tài)方程,為慣性約束核聚變探測器的精密標定提供條件;解析 1 微米量級蛋白質晶體的結構,解釋重要蛋白的功能,推動新藥發(fā)明。
工程目標
(一) 建設國際領先的高能同步輻射光源,儲存環(huán)能量達6GeV,亮度達1×1022 phs/s/mm2/mrad2/0.1%BW,發(fā)射度小于0.06nm×rad,高性能光束線站容量不少于90個,可提供能量達300千電子伏的X射線。
(二) 設施空間分辨能力達到10nm量級,具備單個納米顆粒探測能力;能量分辨能力達到1meV伏量級;時間分辨達到ps量級,具備高重復頻率的動態(tài)探測能力。
建設意義
HEPS是適應科學熱點向新興學科和交叉學科轉移需求的多學科創(chuàng)新研究與高新技術開發(fā)的先進公共平臺。HEPS的建設符合《國家重大科技基礎設施中長期建設規(guī)劃(2012-2030)》中規(guī)劃的大型科學工程和設施的發(fā)展方向。HEPS可滿足國家發(fā)展戰(zhàn)略等研究對高能量、高亮度的X射線的迫切需求,使得我國的同步輻射光源向高能區(qū)擴展,和我國現有的光源形成能區(qū)的互補,對改善我國科技基礎設施的水平,提升我國國家發(fā)展戰(zhàn)略與工業(yè)核心技術相關研究、基礎科學和高技術領域的原始創(chuàng)新能力,引領未來科技進步和促進經濟社會發(fā)展具有重大意義。它在北京建設,有利于我國同步輻射光源區(qū)域布局的進一步合理化,促進我國科學技術與社會經濟更加和諧協(xié)調地發(fā)展。
HEPS建設的首要目標為提供高能、高亮度的硬X射線,這是為了滿足國家發(fā)展戰(zhàn)略相關研究的需求:航空發(fā)動機材料、核材料研究必須依靠這種高性能的X射線。很多與國家發(fā)展戰(zhàn)略以及工業(yè)核心創(chuàng)新能力相關的研究,例如特種材料的結構分析、工程材料的全壽命過程研究等,需要的是高能量、高亮度的X射線,這種X射線只能夠由低發(fā)射度的高能同步輻射裝置來提供。這些工作不能期望依靠國外的同步輻射裝置來開展,只能利用我們自己的高能同步輻射裝置。因此,高能同步輻射裝置最主要的科學目標就是滿足與國家發(fā)展戰(zhàn)略和工業(yè)核心需求相關研究的迫切需求,同時,HEPS也能在其它能區(qū)提供亮度更高的X射線,在基礎科學研究領域為用戶提供更好的支撐平臺。
作為尖端技術的大型科學裝置HEPS自身的建設,也會帶動和提升眾多相關產業(yè)的技術進步,產生良好的社會經濟效益。加速器是綜合多種高技術,如高頻、微波、高精度電磁場、穩(wěn)定和脈沖電源、超高真空、高電壓、精密機械、計算機自動控制、快電子學等的大型設備。HEPS的成功建造和運行,將研發(fā)和引進多項世界先進技術。這些技術在我國進一步發(fā)展和推廣,將大大提高我國相關高科技產業(yè)的水平。光束線站的建造將引進和發(fā)展世界先進的光學技術和探測技術,包括各種形態(tài)的單色器晶體、像素陣列探測器、新型快電子學和海量數據傳遞和處理等。HEPS的建設將直接帶動上述相關高科技研究和工業(yè)的發(fā)展。大科學工程的實踐證明,這種帶動作用的間接效應帶來的社會和經濟效益是非常巨大的。
HEPS將在我國的國家發(fā)展戰(zhàn)略、微電子、醫(yī)藥、石油、化工、生物工程和微細加工等的開發(fā)應用研究中得到廣泛的應用。
HEPS在機械加工、醫(yī)藥醫(yī)療、石油化工和生物工程等行業(yè)中有著重要的應用,其成果不僅能為工業(yè)企業(yè)帶來豐厚的利潤,也能為人們帶來安全、舒適、健康的生活。除此之外,大科學工程對社會的影響是多方面、多層次的。HEPS的建設是一種民族自尊、自信和自強的體現,是顯示國家綜合實力的一個窗口,展現了我國在高科技領域自立于世界民族之林并占有重要地位的決心和意志,提升我國的基礎研究、高技術研究領域的國際地位。同時,作為國家重大的科技基礎設施,HEPS建設期間和建成后,將成為我國先進加速器技術和同步輻射技術人才培養(yǎng)的重要基地,吸引海內外人才投身祖國的科學事業(yè),穩(wěn)定高科技人才隊伍,在人才培養(yǎng)與高技術成果孵化方面帶來直接和間接的社會、經濟效益。
HEPS將成為重要的國際科技合作與基礎科學研究的平臺,增加世界各國人們對我國改革、開放和發(fā)展的理解和支持,增強我國國際影響力。HEPS也將成為科學普及教育及愛國主義教育的基地,影響和教育青少年,增強他們的民族自豪感和富民強國的決心。
資金來源
項目由國家、北京市專項資金支持,同時本項目得到了北京市政府在土地供給、匹配條件等方面的大力支持,已經具備了高水平地完成本項目的建設任務的基本保障。
法人單位
項目由中國科學院高能物理研究所作為法人單位。
中國科學院高能物理研究所從建所以來從業(yè)于我國在大型加速器和同步輻射光源領域的科研工作,有長期的科研積累和廣泛的國際合作渠道。特別是通過“十二五”期間立項的“高能同步輻射光源驗證裝置”項目的建設,在加速器、光束線和實驗站方面積累了建造高能同步輻射光源所需的關鍵技術、人才隊伍和組織管理經驗。