大国之“光”

中国大科学装置巡礼系列报道

当人类凝视宇宙的深邃，总渴望借助一束光穿透未知。大科学装置正是这样一束光——它照亮微观粒子的精妙舞蹈，解码生命起源的原始密码，甚至让转瞬即逝的量子跃迁凝固成可供研究的“标本”。

此次，我们将重磅推出《大国之“光”——中国大科学装置巡礼系列报道》，以“光”为线索，走进这些中国大科学装置的殿堂，聚焦激光与光源领域的核心设施，开启一场跨越时空的“追光之旅”——

从每秒振荡万亿次的飞秒激光，到能穿透物质骨骼的同步辐射光源，从捕捉“幽灵粒子”的地下迷宫，到再现太阳核心能量的超强激光装置……

在这里，我们将以全景视角展现这些科学利器的非凡魅力，揭秘这些“超级工具”如何解码微观世界、探索宇宙奥秘、赋能人类生活。

从南海之滨到燕山脚下，从地下实验室到深空观测站，中国大科学装置集群正编织着一张立体的创新网络。

据透露，目前，中国已建成运行57个大科学装置，在材料、能源、生命科学等领域构筑起立体化创新矩阵。这些被称为“国之重器”的超级工具，不仅是衡量国家科技实力的标尺，更是人类探索自然奥秘的阶梯。

当我们凝视这些照亮未知领域的“中国之光”，看到的不仅是科技实力的具象刻度，更是一个文明古国在创新长跑中重新定义领跑姿态的“精神光谱”。今日推出《大国之“光”——中国大科学装置巡礼系列报道》之二北京怀柔同步辐射光源（HEPS）：

“超级X光机”如何点亮微观世界？

在北京市怀柔区雁栖湖畔，一座外形酷似放大镜的巨型建筑悄然矗立。它不是普通的科研实验室，而是我国最新一代高能同步辐射光源——北京怀柔同步辐射光源（High Energy Photon Source，简称HEPS）

从空中俯瞰，HEPS主体建筑群宛如一个巨大的“放大镜”，静卧于雁栖湖畔的青山绿水之间。这枚占地976亩、周长超过1360米的“科学放大镜”，宏伟的“镜框”环抱着加速器隧道。

2024年10月12日，经过5年多的建设，这座被誉为“超大号X光机”的装置成功发出了“第一束光”，标志着我国在同步辐射光源领域迈出了重要一步。

这项工程不仅是中国科学家智慧与毅力的结晶，更是全球高能同步辐射领域的重大突破。HEPS产生的光比太阳还要亮一万亿倍，堪称世界上最亮的“X光机”。

它将帮助人类“看清”微观世界中的每一个细节：从航天材料的微裂纹，到蛋白质分子结构，再到脑神经元活动轨迹，并为航空航天、生物医药、能源环境等前沿领域提供强有力的支撑。

它不仅是北京怀柔综合性国家科学城的核心地标，更是我国“十三五”期间优先布局、攻坚克难建成的“大国重器”。自2019年6月破土动工，历经5年多的紧张建设，HEPS终于成功点亮，即将为揭示物质最深层的奥秘、驱动前沿科技创新，发出属于中国的、最耀眼的科学之光。

1

照亮纳米世界的“超级放大镜”

置身怀柔科学城，HEPS以其独特而富有深意的建筑造型成为最引人注目的科学地标。

整个园区由三栋主体建筑构成，整体设计巧妙地呈现为一个巨大的“放大镜”形态。其“镜框”部分是一个周长1360多米的巨型环形建筑，内部容纳着光源的核心装置——电子储存环；“手柄”位置则是综合实验楼和用户服务楼，为未来的科研用户提供支持。

据介绍，整个项目占地达976亩，相当于90个标准足球场大小。在实验大厅内部，为了应对如此庞大的空间，工作人员甚至需要骑行自行车穿梭以提高效率，足见其规模之宏大。

值得注意的是，HEPS的建设堪称一场科技“马拉松”——自2019年6月启动以来，2000余名建设者历经5年攻坚，攻克了加速器精密调控、超高真空环境维持等数百项技术难题。2023年3月直线加速器满能量出束，2024年7月储存环全环贯通，直至2024年10月“第一束光”诞生，每一步都刷新着中国同步辐射光源的新高度。

作为第四代光源的代表，HEPS的“高能”属性令人惊叹。其电子束能量达6GeV，亮度是医用X光机的十万亿倍。

有专家说，若将传统光源比作手电筒，HEPS则相当于一盏“探照灯”——它能穿透厘米级金属，捕捉纳米级结构的动态演变。这种能力使其成为研究催化剂反应、蛋白质折叠、航空材料疲劳损伤等复杂问题的理想工具。

与其他大科学装置互补，HEPS的布局彰显战略深意。HEPS的建成，将我国同步辐射光源研究能力从第一代（北京同步辐射装置）、第二代（合肥光源）、第三代（上海光源），一举推进到国际最前沿的第四代，填补了从原子尺度到宏观工程材料的全链条研究空白。

2

“超大号X光机”发出“第一束光”

自2019年6月启动建设以来，HEPS项目不断取得阶段性成果。

2021年6月28日，第一台科研设备安装；2023年3月14日，直线加速器满能量出束；2024年7月1日，储存环全环贯通进入联调阶段。

2024年10月12日21时30分，HEPS实验大厅气氛凝重。HEPS常务副总指挥董宇辉团队将一张橙色胶片装入成像站，关闭防辐射门后按下按钮。

当光闸开启的刹那，一束肉眼不可见的“能量之箭”穿透样品，胶片上逐渐浮现出边缘锐利的黑斑——这正是HEPS的“第一束光”留下的印记。

董宇辉也在上面记录了此珍贵的时刻：高能同步辐射光源发出“第一束光”“2024.10.12 21:30”“曝光0.1s（秒）”

据专家介绍，由于装置发出的光不是可见光，人眼无法直观感受到它的存在。同步辐射光源不是像电灯、蜡烛那样发出的一种简单的光，它是不能直接被看到的X光。HEPS就像一个超级放大镜一样能将微观物质看得很清楚，相当于一个巨型X光机，可以检测到航天材料在加工和服役过程中有没有裂痕，也可以看到细胞分子结构。

“第一束光”的实验数据令人振奋。团队用它对预制裂纹的不锈钢板成像，发现可检测到的微裂纹数量比传统光源增加数倍，分辨率达到30纳米——相当于看清一根头发丝直径的万分之一。这一突破意味着，未来航天器发动机的叶片裂纹、锂电池材料的结构演化都将无所遁形。

潘卫民总指挥用“手电筒与探照灯”比喻光源迭代：“太阳照在身上只能感知温暖，但X光能透视骨骼。HEPS不仅是亮度的飞跃，更是研究范式的革新。”

3

从材料到生命的全维“解码”

HEPS的“超能力”正在转化为实实在在的科研突破。

据介绍，首期建设的14条光束线站中，硬X射线成像线站（HXI）堪称“明星”。它能实现强穿透性与高灵敏度的统一，为航空发动机涡轮叶片做“CT扫描”，实时观测材料在高温高压下的损伤过程。

在生命科学领域，HEPS与多模态跨尺度生物医学成像设施形成“双璧”。通过整合冷冻电镜、原子力显微镜等技术，构建从分子到人体的全景式成像体系。2025年3月，该设施发布的十大成果中，微型双光子显微镜仅重2.2克，却能让实验鼠佩戴着“跑”起来，记录自由活动中的神经元活动；全人体PET-CT则实现了肿瘤早期微小病灶的精准定位。

两者的结合，正催生全新的研究模式。例如，科学家利用HEPS解析病毒蛋白结构，再用多模态成像设施追踪其在活体细胞内的复制路径，为新药研发提供“原子级”靶点。这种跨尺度、多模态的研究范式，或将加速癌症、阿尔茨海默病等疑难疾病的攻克。

更深远的影响在于产业变革。航天领域，HEPS可模拟太空极端环境对材料的影响，助力国产大飞机发动机叶片研发；能源领域，它能优化光伏电池晶格结构，提升光电转化效率；环保领域，通过解析催化剂表面反应机制，为碳捕捉技术开辟新路径。

4

怀柔科学城打造世界级原始创新策源地

HEPS的崛起，仅是怀柔科学城建设的缩影。

这片100.9平方公里的土地上，37个大科学装置正构成全球领先的“科研矩阵”。地球系统数值模拟装置可复现全球气候变化，综合极端条件实验装置能创造接近绝对零度的极端环境……

这些“国之重器”协同发力，使我国在物质科学、生命科学等领域实现从“跟跑”到“领跑”的跨越。

科学城的“磁吸效应”正在显现。这里集聚了78位两院院士、19名诺奖得主，每年产出重大科技成果300余项。2023年，怀柔科学城斩获国家科学技术奖13项，其中国家自然科学一等奖首次花落于此。

“我们不仅要做‘科学灯塔’，更要成为‘创新生态池’。”怀柔科学城管委会有关负责人介绍，多模态成像设施已与法国居里研究所共建国际联盟，HEPS的测试机时向中小企业开放，甚至催生了国产高端X射线源的产业化突破。

激光制造网 编辑：十一郎

陈长军转载

热忱欢迎参加我们在2025年9月23-25日举办的第三届深圳eVTOL展和激光在低空经济中的应用大会（9月24日）