中国“超级放大镜”震撼亮相！创世界之最，可比太阳亮1万亿倍

发布者：年长者是也 2025-12-22 10:13

探访“超级放大镜”

在北京怀柔有一座造型酷似放大镜的建筑。这里藏着一台由中国自主研发并让世界瞩目的大国重器，它可发出比太阳亮1万亿倍的光，能穿透物质表层，看清原子级别的微观结构，它就是中国首台高能同步辐射光源HEPS。

作为亚洲第一台、全球仅三台的顶尖科学装置，HEPS是世界上发射度最低、亮度最高的第四代高能同步辐射光源之一，它于2025年10月29日通过了工艺验收，将于2026年逐步对用户开放。

本期中国茅台《近观中国》特邀来自比利时的观察员彭望龙，走进HEPS，与科研人员深度对话，解锁“超级放大镜”的诞生密码与应用蓝图。

“超级放大镜”能干啥？

焦毅是HEPS设计骨干，也是系统负责人之一，他首先带着彭望龙从模型初步认识HEPS。图中这个圆圈是HEPS的核心部件——储存环，在现实中，这个环的周长接近1.4公里。在这个环形管道里，电子以接近光速的速度循环运动，每秒能完成数万圈旋转，在切线方向发出超强X射线。

而这些光到底能做什么呢？它们可以以接近原子的精度揭示微观结构，推动许多科学领域的进步。如今全球近70%的已知生物大分子结构是通过同步辐射被探测出来的。

据焦毅介绍，全世界有超过50台同步辐射光源，但远远无法满足用户需求。作为此类仪器中最先进的一代，第四代、高能量同步辐射光源在全球仅建成了三台，对比上一代同步辐射光源的亮度飞跃，堪比从牛车换成高速列车。

HEPS作为第四代同步辐射光源，将束流体积缩小了100倍，相当于把手指尖压缩到针尖大小，让光线更集中、更明亮，能看清两埃以下的微观结构，达到真正的原子级精度。

围绕储存环，分布着14个用户光束线站，将来可以建成几十个光束线站，就可以同时容纳几十组科学家开展研究。从蛋白质晶体到高铁车轮，从猴脑组织到人体器官，这台 “超级放大镜” 的研究领域十分广泛。

在生物大分子线站中，即将用HEPS发出的X射线对蛋白质晶体进行观测。在光照下，蛋白质的三维结构清晰显现。

高增强（HEPS生物大分子线站负责人）：“X光是一个研究晶体非常有力的工具。比如说做药物设计，我们国家发现新冠疫情之后，短短一个月内，清华大学的饶子和院士就利用上海光源，快速得到了病毒的主蛋白酶的结构，之后基于这个结构设计的药物。得到它的结构之后，我们就可以设计一个小分子把它的空洞填补起来。即使它进入人体，也不可能和宿主体内相关的小分子结合，所以就起到了抑制病毒的作用。”

随后，彭望龙来到了HEPS硬X射线成像线站，而这里就有他最感兴趣的用来研究神秘大脑的实验室。

科研人员正在用同步辐射光源对食蟹猴的猴脑进行观测和分析。

黎刚（HEPS硬X射线成像线站负责人）：“我们这个线站是世界上空间相干长度最长的、最好的一个同步辐射的成像线站。这也意味着它的辐射剂量低，但成像还很清楚，能够看到很小的一个病变。在这个线站，它的光斑会变得特别大，做人脑成像的时候，一套CT就可以把整个人脑解析出来。”

从电脑屏幕上，彭望龙看到了猴脑结构图像，放大后，神经元的胞体和树突清晰可见。而这样的清晰度，也给科研人员带来了一份“苦恼”——存储难。

黎刚：“这个图像分辨率是50K像素，普通电脑屏幕只有2K或4K，你现在看到的都是压缩后的，将来数据量会非常大，一套原始数据可能需要1000个硬盘才能存下。”

黎刚还向彭望龙展示了一段欧洲同步辐射装置制作的人脑成像视频，画面中，神经元被持续放大，细节惊人。彭望龙很好奇，我们的HEPS什么时候可以照出人脑样本。

“2026年年初” 黎刚回答，他还告诉彭望龙，他们的科研团队已经和多个脑库进行合作研究，这将给人脑成像带来革命性促进。

黎刚：“人脑有800多亿个神经元，和宇宙中的星星一样多。有了HEPS，阿尔茨海默症患者的大脑变化、脑胶质瘤的定位、药物治疗后的效果、脑机接口的作用细节都能看得更清楚，甚至可能可以结合放疗进行治疗，治疗后还能观察疗效。我们已经开始计划推动跟在各个器官上非常有特色的医院开展研究，观测某一个器官的各种发育阶段，以及各种疾病下的不同状态做成图谱。绝大部份信息都会公开。”

目前，中国政府投入50亿资金建设的这个大科学装置，将面向全球的用户开放，现在就已经有百余名用户在排队。来自各领域的顶级专家组成的用户委员会持续关注装置的后续运行情况，以期促进前沿基础科学研究、产业创新和国际科学交流。

这束光怎么来的？

了解了HEPS对医疗领域未来的重要之处后，彭望龙愈发好奇，这束光到底是如何产生的？科研人员又遇到过哪些难题？

“要实现这样的工程，最难的是精度控制。” 焦毅带着彭望龙来到储存环内部，眼前复杂的管道和磁铁设备让他直观感受到了工程的艰巨。

焦毅介绍，磁铁是光源的关键部件之一，每两个磁铁中心的偏差必须小于30 微米，这相当于一根头发丝的粗细。“安装磁铁的地面振动要控制在25纳米以内，是头发丝粗细的1000分之一，这样才能保证电子束每一圈旋转的位置变化不超过1微米，稍有偏差，束流就很难通过。”

为了弄清磁铁准直的奥秘，彭望龙来到准直实验室，负责人董岚告诉彭望龙，眼前的这套机器就是将磁铁准直误差控制在30微米以内的关键，并展示了其使用方法。

董岚：“这四台激光跟踪仪，能跟踪猫眼反射镜球体。这是一个1.5英寸的一个球，我把它放在这里，照着这个球心，测量四个边长，交会在球心这一个点上。激光器正在自动移动，测量每一个磁铁上面的四个点的坐标值。”

通过数据检测，科研人员能精准发现磁铁的实际安装位置与理论位置在微米尺度的差距，进行校准。

董岚一直致力于中国重大国家工程项目的准直工作，在他从业的四十多年中，中国接连在北京、合肥、上海等地建设着七个同步辐射光源。彭望龙很好奇中国为什么在这一领域发力。

董岚（HEPS准直系统负责人）：“在小分子结构甚至原子结构这样一个尺度领域上的研究，需要大量的同步辐射装置。现在我们国家正在运行的同步辐射装置，还远远不能满足这些应用研究领域的需求。”

董岚参与的首个准直工程就是中国的第一台同步辐射光源。但这次挑战空前，与众不同，突破了精度的极限，科研和创新用了两年多。

董岚：“十多年前，我们做的散裂中子源项目，它的储存环的周长才200多米。我们现在的规模是1300多米，规模大了5倍，准直精度还比以前提高了3到4倍。这个给我们带来了很大的挑战。而且此前也没有国外的经验可以借鉴，美国和欧洲是在现有的隧道里面拆掉旧设备，装新设备，它们是现成的条件。我们完全是在一片空地中拔地而起。我们工作量比他们大，这就要求我们工作效率要高。”

为了按时完成任务，2022年，本该退休的董岚选择了坚守战场。这一年，为了防止疫情的传染，董岚和妻子两地分居，与11个同组研究人员，9个月没有离开怀柔。

十年磨一剑

与董岚一样坚守的科研人员还有很多，焦毅就是其中之一。

三年前，HEPS主体结构建成后，焦毅从北京城区搬到了怀柔办公。过去三年，团队经常连续几个月24小时轮班调试光源，周末不休息，紧急时还要加班到半夜。

这里就是HEPS的中央控制室，也是焦毅的战场，他和团队需要24小时轮班值守，对着屏幕调参数。因为束流非常敏感。白天、晚上、冬天、夏天、开机、关机都会引起它的位置发生毫米级或亚毫米级的漂移，需要持续实时调整。

2012年，焦毅就开始参与HEPS的设计，历时十年才设计完成。

焦毅（HEPS加速器部副主任）：“像我们的真空设备，需要去购买一种进口的快卸法兰。但我们经过反复讨论，最终决定要采用国产的法兰。确定方案后，我们又花了一年的时间反复去优化，设计光源的亮度等等。保证了这项技术完全自主。2016年到2017年左右开始，我们所有的设计和硬件建造都是独立自主完成的。我们和同类光源一直在PK，他们先做到了六十几皮米，我们就把设计更新到六十皮米。他们的设计做到四十几皮米，我们就做到三十几皮米。目前，我们设计的发射度是世界上最小的。科研的本质是在不断超越的，所以我们需要不断地向前进。我们的这个设计方案，可以保证它建成后，在未来的五到十年，始终是国际上最亮的同步辐射光源之一。而且我们的方案是面向国际公开的。”