比太陽亮1萬億倍！中國(guó)的“超級(jí)顯微鏡”正式上崗，給原子拍高清大片

2026年3月29日，北京中關(guān)村論壇年會(huì)現(xiàn)場(chǎng)，一項(xiàng)重磅成果剛一公布，就引得全場(chǎng)目光聚焦——中國(guó)自己的“超級(jí)顯微鏡”HEPS，已經(jīng)建成試運(yùn)行了。這臺(tái)“超級(jí)顯微鏡”發(fā)出的光，比太陽還要亮1萬億倍。

如果太陽是一盞100瓦的燈泡，那HEPS的光芒就像把一座城市的全部燈光匯聚到針尖那么大的一個(gè)點(diǎn)上。不過嚴(yán)格來說，HEPS本身并不是一臺(tái)顯微鏡——它是一臺(tái)給全世界科學(xué)家使用的超級(jí)“探照燈”。它只負(fù)責(zé)發(fā)出那束亮得驚人的光，科學(xué)家用這束光照亮樣品后，再通過專門的光束線站、探測(cè)器和計(jì)算機(jī)算法，像“拼圖”一樣重建出樣品內(nèi)部的三維結(jié)構(gòu)。有了它，每一臺(tái)真正的顯微鏡都能看得比從前更遠(yuǎn)、更清。

HEPS在100毫安高流強(qiáng)穩(wěn)定供光

它坐落在北京懷柔科學(xué)城，是亞洲第一座、全球僅有的幾座之一的第四代同步輻射光源。從2025年12月啟動(dòng)試運(yùn)行到現(xiàn)在，短短幾個(gè)月里，它已經(jīng)為91家單位完成了200多項(xiàng)前沿課題實(shí)驗(yàn)，提供了近5000小時(shí)的“用光”時(shí)間。

從“意外發(fā)現(xiàn)”到“國(guó)之重器”：同步輻射的80年進(jìn)化史

這束光的故事，要從1947年的一次意外講起。美國(guó)通用電氣公司的研究人員在調(diào)試加速器時(shí)，發(fā)現(xiàn)電子在轉(zhuǎn)彎時(shí)沿著切線方向"甩"出了一種強(qiáng)烈的X射線。起初他們只當(dāng)是能量損耗，后來才意識(shí)到這是掃描原子世界的"超級(jí)探照燈"。從那以后，美國(guó)、歐洲、日本紛紛投入巨資建設(shè)同步輻射光源，它成了衡量科技實(shí)力的"國(guó)之重器"。

中國(guó)從20世紀(jì)80年代開始追趕，先后建成了北京同步輻射裝置和上海光源，但始終跟在別人后面——不是我們不夠努力，而是第四代光源的技術(shù)太難了：要把電子束的發(fā)散度壓縮到一根頭發(fā)絲的一億分之一，要在比拳頭還小的磁鐵孔里維持超高真空，還要在別人按年計(jì)算的調(diào)試周期里只用幾十天完成。

這些"卡脖子"難題，被中國(guó)科學(xué)家一個(gè)個(gè)硬啃下來：他們創(chuàng)新設(shè)計(jì)出新型磁鐵結(jié)構(gòu)，自主攻克了探測(cè)器和真空鍍膜技術(shù)，甚至在安裝現(xiàn)場(chǎng)"穿針引線"般完成了上千塊磁鐵的亞毫米級(jí)對(duì)位。最終，比太陽亮1萬億倍的光，第一次從北京懷柔科學(xué)城射出——這束光，成了中國(guó)的"國(guó)之重器"。

左：北京高能同步輻射光源（HEPS）中：上海同步輻射光源（SSRF）右：合肥先進(jìn)光源（HALF）

HEPS如何“生產(chǎn)”比太陽亮1萬億倍的光？

走進(jìn)懷柔科學(xué)城，你會(huì)看到一片占地127畝的白色建筑群，相當(dāng)于12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)那么大。核心是一個(gè)周長(zhǎng)1360米的電子儲(chǔ)存環(huán)——你可以把它想象成一個(gè)巨型的環(huán)形賽道，只不過賽道上奔跑的是一群接近光速的電子。

高能同步輻射光源全景（航拍圖）

整個(gè)過程可以概括為三步：首先，電子槍發(fā)射出電子束，就像起跑線上的運(yùn)動(dòng)員；接著，直線加速器和增強(qiáng)器像兩級(jí)火箭一樣，把電子的能量推到60億電子伏特——這個(gè)能量大概相當(dāng)于把一只螞蟻加速到接近光速時(shí)攜帶的能量；最后，高能電子沖進(jìn)儲(chǔ)存環(huán)，在精心設(shè)計(jì)的磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)彎、振蕩，釋放出X射線。

為了把電子束的"發(fā)散度"壓到極致，科學(xué)家采用了一種名為"縱向梯度、反向彎轉(zhuǎn)二極磁鐵相結(jié)合的緊湊型混合多彎鐵消色散結(jié)構(gòu)"的復(fù)雜設(shè)計(jì)，最終將自然發(fā)射度降低到約56.8皮米·弧度。1皮米是一米的一萬億分之一，這相當(dāng)于把一根頭發(fā)絲分成數(shù)千萬份，只取其中一份那么細(xì)。真正讓HEPS"光芒萬丈"的，是波蕩器——它由一排正負(fù)交替的磁鐵構(gòu)成，電子穿過去時(shí)會(huì)像蛇一樣左右扭動(dòng)。每扭一次就發(fā)出一束光，無數(shù)個(gè)周期產(chǎn)生的光相互疊加、同步增強(qiáng)，亮度呈指數(shù)級(jí)暴漲。

HEPS儲(chǔ)存環(huán)、增強(qiáng)器及輸運(yùn)線的布局

這就像合唱團(tuán)里每個(gè)人單獨(dú)唱很普通，但所有人聲部精準(zhǔn)對(duì)齊，音量就能震翻全場(chǎng)。

最終，HEPS發(fā)出的X射線比太陽亮1萬億倍，比醫(yī)院里拍胸片的X光機(jī)亮10萬億倍。與第三代光源相比，它的亮度提升了100到1000倍，是全球設(shè)計(jì)亮度最高的第四代同步輻射光源。它的X射線能量最高可達(dá)300 keV（硬X射線），能輕松穿透金屬；空間分辨率達(dá)到12.5納米，能看清單個(gè)病毒；時(shí)間分辨率達(dá)到皮秒級(jí)——1皮秒等于一萬億分之一秒，足以拍下化學(xué)鍵斷裂的那一瞬間。

這束光能“看”清什么？

首先，它能看清航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片內(nèi)部的缺陷。飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片工作時(shí)，要承受上千度的高溫和幾十個(gè)大氣壓的沖擊。如果內(nèi)部藏著一絲裂紋，飛行中就可能導(dǎo)致災(zāi)難性后果。

傳統(tǒng)檢測(cè)手段很難無損地透視金屬內(nèi)部的微小缺陷，但HEPS的高能硬X射線就像一臺(tái)超級(jí)工業(yè)CT，能輕松穿透幾厘米厚的鎳基高溫合金，把葉片內(nèi)部的三維結(jié)構(gòu)拍得一清二楚。試運(yùn)行期間，這個(gè)方向已經(jīng)取得了重要成果。

硬X射線納米探針線站：HEPS研制多層膜勞埃透鏡的水平、垂直聚焦散焦圖（第三次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)），水平聚焦半高寬10.5nm，垂直聚焦半高寬12.6nm

其次，它能看清蛋白質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)。很多靶向藥的工作原理，就像一把鑰匙插入一把鎖——藥物分子精確地結(jié)合到某個(gè)蛋白質(zhì)上，從而阻斷病毒或癌細(xì)胞的生長(zhǎng)。但要設(shè)計(jì)這把“鑰匙”，首先得知道“鎖芯”長(zhǎng)什么樣，也就是蛋白質(zhì)的三維原子結(jié)構(gòu)。

過去在第三代光源上解析一個(gè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，往往需要連續(xù)數(shù)周的實(shí)驗(yàn)。而HEPS的亮度提高了100到1000倍，原來幾周的工作，現(xiàn)在幾個(gè)小時(shí)就能完成。這對(duì)研發(fā)新藥、理解生命奧秘來說，無疑是巨大的加速。

第三，它能看清化學(xué)反應(yīng)的實(shí)時(shí)過程。化學(xué)反應(yīng)究竟是怎么發(fā)生的？比如氫氣和氧氣燃燒變成水，中間經(jīng)歷了哪些驚心動(dòng)魄的變化？傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)只能看到反應(yīng)前后的狀態(tài)，中間的過程就像一個(gè)黑匣子。

HEPS的脈沖結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一臺(tái)皮秒級(jí)高速攝像機(jī)——每秒能拍一萬億幀畫面。用它來“拍攝”化學(xué)反應(yīng)，就能親眼看到化學(xué)鍵斷裂、原子重新組合的每一個(gè)瞬間，簡(jiǎn)直是一部精彩的“分子電影”。

第四，它能看清納米材料的性能奧秘。當(dāng)材料的尺寸小到納米尺度——1納米只有頭發(fā)絲直徑的六萬分之一——它的性質(zhì)會(huì)發(fā)生神奇的變化。比如銅本來不透明，但納米銅薄膜可以是透明的；金本來是金色的，但納米金顆粒卻可以變成紅色的。

要看清這些納米材料的結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)顯微鏡無能為力。而HEPS的相干衍射成像技術(shù)，可以繞過透鏡的物理極限，直接通過計(jì)算反推出納米晶體的三維原子排布。這對(duì)研發(fā)下一代芯片、高效催化劑和超強(qiáng)材料至關(guān)重要。

HEPS連續(xù)76小時(shí)無故障100毫安穩(wěn)定供光運(yùn)行

試運(yùn)行成果：已為200余項(xiàng)課題提供近5000小時(shí)機(jī)時(shí)

從2025年12月3日啟動(dòng)試運(yùn)行，到2026年2月中旬，短短兩個(gè)半月里，HEPS已經(jīng)展現(xiàn)出強(qiáng)大的科研服務(wù)能力。它服務(wù)了91個(gè)單位，包括清華、北大等頂尖高校，以及比亞迪、寧德時(shí)代等行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)；完成了200余項(xiàng)課題實(shí)驗(yàn)，覆蓋了航空葉片檢測(cè)、3D打印材料動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)捕捉、高鐵輪轂應(yīng)力檢測(cè)、液態(tài)和固態(tài)電池原位工況檢測(cè)、腦神經(jīng)連接圖譜繪制、半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)成像等前沿方向；累計(jì)提供了近5000小時(shí)用戶機(jī)時(shí)，相當(dāng)于每天24小時(shí)不間斷運(yùn)行了200多天。

每一項(xiàng)成果都不是紙上談兵，而是實(shí)實(shí)在在的突破。比如在電池研究領(lǐng)域，HEPS能夠?qū)崟r(shí)觀察充放電過程中，鋰離子在電極材料里的“遷徙”路徑，這為科學(xué)家設(shè)計(jì)更安全、續(xù)航更長(zhǎng)的電池提供了前所未有的視角。

開展實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)景

從“跟跑”到“并跑”再到“領(lǐng)跑”

HEPS的建成，讓中國(guó)的同步輻射光源實(shí)現(xiàn)了從“追隨”到“領(lǐng)跑”的歷史性跨越。目前，全球僅有5臺(tái)第四代同步輻射光源：瑞典的MAX-IV（2015年運(yùn)行）、巴西的SIRIUS（2020年運(yùn)行）、歐洲的ESRF-EBS（2020年升級(jí)完成）、正在建設(shè)中的美國(guó)APS-U，以及中國(guó)的HEPS。HEPS不僅是亞洲第一臺(tái)，而且綜合性能達(dá)到了國(guó)際同類裝置的領(lǐng)先水平。

更值得驕傲的是，大量關(guān)鍵技術(shù)都是中國(guó)自主研發(fā)的。例如，HEPS需要大量X射線探測(cè)器，如果全部進(jìn)口，一臺(tái)就要數(shù)百萬元。而中科院團(tuán)隊(duì)經(jīng)過十年積累，形成了完整的探測(cè)器自主研發(fā)能力，每臺(tái)自主研制的探測(cè)器可節(jié)省數(shù)百萬元，全部90多條線站建下來，僅探測(cè)器一項(xiàng)就能節(jié)省數(shù)億元。這背后，是一支高水平科研隊(duì)伍的茁壯成長(zhǎng)，也是科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新深度融合的生動(dòng)體現(xiàn)。2026年3月，HEPS已經(jīng)啟動(dòng)了首輪課題征集，來自全國(guó)乃至全球的科學(xué)家都可以申請(qǐng)機(jī)時(shí)，開展前沿研究。

未來已來：預(yù)計(jì)2026年正式開放

根據(jù)計(jì)劃，HEPS將于2026年通過國(guó)家驗(yàn)收后正式投入運(yùn)行。屆時(shí)，首期建設(shè)的14條用戶光束線站加上1條測(cè)試線站將全部開放，覆蓋成像、衍射、散射、譜學(xué)等多種實(shí)驗(yàn)方法，能夠支撐材料科學(xué)、生命科學(xué)、能源環(huán)保等多領(lǐng)域的研究。

更令人期待的是，HEPS的設(shè)計(jì)容量不少于90條高性能光束線站——未來，它會(huì)像一個(gè)不斷擴(kuò)張的“光之超市”，科學(xué)家們可以根據(jù)自己的需求，選擇不同波長(zhǎng)、不同分辨率的“光產(chǎn)品”，去照亮各自領(lǐng)域未知的黑暗。

從1947年的意外發(fā)現(xiàn)，到2026年亞洲第一臺(tái)第四代光源發(fā)出比太陽亮1萬億倍的光芒，同步輻射技術(shù)走過了近80年的漫長(zhǎng)旅程。如今，這束光正從北京懷柔科學(xué)城射出，照亮中國(guó)科技自立自強(qiáng)的新征程。