探訪“超級(jí)放大鏡”

在北京懷柔有一座造型酷似放大鏡的建筑。這里藏著一臺(tái)由中國自主研發(fā)并讓世界矚目的大國重器，它可發(fā)出比太陽亮1萬億倍的光，能穿透物質(zhì)表層，看清原子級(jí)別的微觀結(jié)構(gòu)，它就是中國首臺(tái)高能同步輻射光源HEPS。

作為亞洲第一臺(tái)、全球僅三臺(tái)的頂尖科學(xué)裝置，HEPS是世界上發(fā)射度最低、亮度最高的第四代高能同步輻射光源之一，它于2025年10月29日通過了工藝驗(yàn)收，將于2026年逐步對(duì)用戶開放。

本期中國茅臺(tái)《近觀中國》特邀來自比利時(shí)的觀察員彭望龍，走進(jìn)HEPS，與科研人員深度對(duì)話，解鎖“超級(jí)放大鏡”的誕生密碼與應(yīng)用藍(lán)圖。

“超級(jí)放大鏡”能干啥？

焦毅是HEPS設(shè)計(jì)骨干，也是系統(tǒng)負(fù)責(zé)人之一，他首先帶著彭望龍從模型初步認(rèn)識(shí)HEPS。圖中這個(gè)圓圈是HEPS的核心部件——儲(chǔ)存環(huán)，在現(xiàn)實(shí)中，這個(gè)環(huán)的周長(zhǎng)接近1.4公里。在這個(gè)環(huán)形管道里，電子以接近光速的速度循環(huán)運(yùn)動(dòng)，每秒能完成數(shù)萬圈旋轉(zhuǎn)，在切線方向發(fā)出超強(qiáng)X射線。

而這些光到底能做什么呢？它們可以以接近原子的精度揭示微觀結(jié)構(gòu)，推動(dòng)許多科學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)步。如今全球近70%的已知生物大分子結(jié)構(gòu)是通過同步輻射被探測(cè)出來的。

據(jù)焦毅介紹，全世界有超過50臺(tái)同步輻射光源，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足用戶需求。作為此類儀器中最先進(jìn)的一代，第四代、高能量同步輻射光源在全球僅建成了三臺(tái)，對(duì)比上一代同步輻射光源的亮度飛躍，堪比從牛車換成高速列車。

HEPS作為第四代同步輻射光源，將束流體積縮小了100倍，相當(dāng)于把手指尖壓縮到針尖大小，讓光線更集中、更明亮，能看清兩埃以下的微觀結(jié)構(gòu)，達(dá)到真正的原子級(jí)精度。

圍繞儲(chǔ)存環(huán)，分布著14個(gè)用戶光束線站，將來可以建成幾十個(gè)光束線站，就可以同時(shí)容納幾十組科學(xué)家開展研究。從蛋白質(zhì)晶體到高鐵車輪，從猴腦組織到人體器官，這臺(tái) “超級(jí)放大鏡” 的研究領(lǐng)域十分廣泛。

在生物大分子線站中，即將用HEPS發(fā)出的X射線對(duì)蛋白質(zhì)晶體進(jìn)行觀測(cè)。在光照下，蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)清晰顯現(xiàn)。

高增強(qiáng)（HEPS生物大分子線站負(fù)責(zé)人）：“X光是一個(gè)研究晶體非常有力的工具。比如說做藥物設(shè)計(jì)，我們國家發(fā)現(xiàn)新冠疫情之后，短短一個(gè)月內(nèi)，清華大學(xué)的饒子和院士就利用上海光源，快速得到了病毒的主蛋白酶的結(jié)構(gòu)，之后基于這個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的藥物。得到它的結(jié)構(gòu)之后，我們就可以設(shè)計(jì)一個(gè)小分子把它的空洞填補(bǔ)起來。即使它進(jìn)入人體，也不可能和宿主體內(nèi)相關(guān)的小分子結(jié)合，所以就起到了抑制病毒的作用?！?/p>

隨后，彭望龍來到了HEPS硬X射線成像線站，而這里就有他最感興趣的用來研究神秘大腦的實(shí)驗(yàn)室。

科研人員正在用同步輻射光源對(duì)食蟹猴的猴腦進(jìn)行觀測(cè)和分析。

黎剛（HEPS硬X射線成像線站負(fù)責(zé)人）：“我們這個(gè)線站是世界上空間相干長(zhǎng)度最長(zhǎng)的、最好的一個(gè)同步輻射的成像線站。這也意味著它的輻射劑量低，但成像還很清楚，能夠看到很小的一個(gè)病變。在這個(gè)線站，它的光斑會(huì)變得特別大，做人腦成像的時(shí)候，一套CT就可以把整個(gè)人腦解析出來?！?/p>

從電腦屏幕上，彭望龍看到了猴腦結(jié)構(gòu)圖像，放大后，神經(jīng)元的胞體和樹突清晰可見。而這樣的清晰度，也給科研人員帶來了一份“苦惱”——存儲(chǔ)難。

黎剛：“這個(gè)圖像分辨率是50K像素，普通電腦屏幕只有2K或4K，你現(xiàn)在看到的都是壓縮后的，將來數(shù)據(jù)量會(huì)非常大，一套原始數(shù)據(jù)可能需要1000個(gè)硬盤才能存下?！?/p>

黎剛還向彭望龍展示了一段歐洲同步輻射裝置制作的人腦成像視頻，畫面中，神經(jīng)元被持續(xù)放大，細(xì)節(jié)驚人。彭望龍很好奇，我們的HEPS什么時(shí)候可以照出人腦樣本。

“2026年年初” 黎剛回答，他還告訴彭望龍，他們的科研團(tuán)隊(duì)已經(jīng)和多個(gè)腦庫進(jìn)行合作研究，這將給人腦成像帶來革命性促進(jìn)。

黎剛：“人腦有800多億個(gè)神經(jīng)元，和宇宙中的星星一樣多。有了HEPS，阿爾茨海默癥患者的大腦變化、腦膠質(zhì)瘤的定位、藥物治療后的效果、腦機(jī)接口的作用細(xì)節(jié)都能看得更清楚，甚至可能可以結(jié)合放療進(jìn)行治療，治療后還能觀察療效。我們已經(jīng)開始計(jì)劃推動(dòng)跟在各個(gè)器官上非常有特色的醫(yī)院開展研究，觀測(cè)某一個(gè)器官的各種發(fā)育階段，以及各種疾病下的不同狀態(tài)做成圖譜。絕大部份信息都會(huì)公開?！?/p>

目前，中國政府投入50億資金建設(shè)的這個(gè)大科學(xué)裝置，將面向全球的用戶開放，現(xiàn)在就已經(jīng)有百余名用戶在排隊(duì)。來自各領(lǐng)域的頂級(jí)專家組成的用戶委員會(huì)持續(xù)關(guān)注裝置的后續(xù)運(yùn)行情況，以期促進(jìn)前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究、產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新和國際科學(xué)交流。

這束光怎么來的？

了解了HEPS對(duì)醫(yī)療領(lǐng)域未來的重要之處后，彭望龍愈發(fā)好奇，這束光到底是如何產(chǎn)生的？科研人員又遇到過哪些難題？

“要實(shí)現(xiàn)這樣的工程，最難的是精度控制。” 焦毅帶著彭望龍來到儲(chǔ)存環(huán)內(nèi)部，眼前復(fù)雜的管道和磁鐵設(shè)備讓他直觀感受到了工程的艱巨。

焦毅介紹，磁鐵是光源的關(guān)鍵部件之一，每?jī)蓚€(gè)磁鐵中心的偏差必須小于30 微米，這相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的粗細(xì)?！鞍惭b磁鐵的地面振動(dòng)要控制在25納米以內(nèi)，是頭發(fā)絲粗細(xì)的1000分之一，這樣才能保證電子束每一圈旋轉(zhuǎn)的位置變化不超過1微米，稍有偏差，束流就很難通過?！?/strong>

為了弄清磁鐵準(zhǔn)直的奧秘，彭望龍來到準(zhǔn)直實(shí)驗(yàn)室，負(fù)責(zé)人董嵐告訴彭望龍，眼前的這套機(jī)器就是將磁鐵準(zhǔn)直誤差控制在30微米以內(nèi)的關(guān)鍵，并展示了其使用方法。

董嵐：“這四臺(tái)激光跟蹤儀，能跟蹤貓眼反射鏡球體。這是一個(gè)1.5英寸的一個(gè)球，我把它放在這里，照著這個(gè)球心，測(cè)量四個(gè)邊長(zhǎng)，交會(huì)在球心這一個(gè)點(diǎn)上。激光器正在自動(dòng)移動(dòng)，測(cè)量每一個(gè)磁鐵上面的四個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值。”

通過數(shù)據(jù)檢測(cè)，科研人員能精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)磁鐵的實(shí)際安裝位置與理論位置在微米尺度的差距，進(jìn)行校準(zhǔn)。

董嵐一直致力于中國重大國家工程項(xiàng)目的準(zhǔn)直工作，在他從業(yè)的四十多年中，中國接連在北京、合肥、上海等地建設(shè)著七個(gè)同步輻射光源。彭望龍很好奇中國為什么在這一領(lǐng)域發(fā)力。

董嵐（HEPS準(zhǔn)直系統(tǒng)負(fù)責(zé)人）：“在小分子結(jié)構(gòu)甚至原子結(jié)構(gòu)這樣一個(gè)尺度領(lǐng)域上的研究，需要大量的同步輻射裝置。現(xiàn)在我們國家正在運(yùn)行的同步輻射裝置，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足這些應(yīng)用研究領(lǐng)域的需求?！?/strong>

董嵐參與的首個(gè)準(zhǔn)直工程就是中國的第一臺(tái)同步輻射光源。但這次挑戰(zhàn)空前，與眾不同，突破了精度的極限，科研和創(chuàng)新用了兩年多。

董嵐：“十多年前，我們做的散裂中子源項(xiàng)目，它的儲(chǔ)存環(huán)的周長(zhǎng)才200多米。我們現(xiàn)在的規(guī)模是1300多米，規(guī)模大了5倍，準(zhǔn)直精度還比以前提高了3到4倍。這個(gè)給我們帶來了很大的挑戰(zhàn)。而且此前也沒有國外的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，美國和歐洲是在現(xiàn)有的隧道里面拆掉舊設(shè)備，裝新設(shè)備，它們是現(xiàn)成的條件。我們完全是在一片空地中拔地而起。我們工作量比他們大，這就要求我們工作效率要高?！?/p>

為了按時(shí)完成任務(wù)，2022年，本該退休的董嵐選擇了堅(jiān)守戰(zhàn)場(chǎng)。這一年，為了防止疫情的傳染，董嵐和妻子兩地分居，與11個(gè)同組研究人員，9個(gè)月沒有離開懷柔。

十年磨一劍

與董嵐一樣堅(jiān)守的科研人員還有很多，焦毅就是其中之一。

三年前，HEPS主體結(jié)構(gòu)建成后，焦毅從北京城區(qū)搬到了懷柔辦公。過去三年，團(tuán)隊(duì)經(jīng)常連續(xù)幾個(gè)月24小時(shí)輪班調(diào)試光源，周末不休息，緊急時(shí)還要加班到半夜。

這里就是HEPS的中央控制室，也是焦毅的戰(zhàn)場(chǎng)，他和團(tuán)隊(duì)需要24小時(shí)輪班值守，對(duì)著屏幕調(diào)參數(shù)。因?yàn)槭鞣浅Ｃ舾?。白天、晚上、冬天、夏天、開機(jī)、關(guān)機(jī)都會(huì)引起它的位置發(fā)生毫米級(jí)或亞毫米級(jí)的漂移，需要持續(xù)實(shí)時(shí)調(diào)整。

2012年，焦毅就開始參與HEPS的設(shè)計(jì)，歷時(shí)十年才設(shè)計(jì)完成。

焦毅（HEPS加速器部副主任）：“像我們的真空設(shè)備，需要去購買一種進(jìn)口的快卸法蘭。但我們經(jīng)過反復(fù)討論，最終決定要采用國產(chǎn)的法蘭。確定方案后，我們又花了一年的時(shí)間反復(fù)去優(yōu)化，設(shè)計(jì)光源的亮度等等。保證了這項(xiàng)技術(shù)完全自主。2016年到2017年左右開始，我們所有的設(shè)計(jì)和硬件建造都是獨(dú)立自主完成的。我們和同類光源一直在PK，他們先做到了六十幾皮米，我們就把設(shè)計(jì)更新到六十皮米。他們的設(shè)計(jì)做到四十幾皮米，我們就做到三十幾皮米。目前，我們?cè)O(shè)計(jì)的發(fā)射度是世界上最小的。科研的本質(zhì)是在不斷超越的，所以我們需要不斷地向前進(jìn)。我們的這個(gè)設(shè)計(jì)方案，可以保證它建成后，在未來的五到十年，始終是國際上最亮的同步輻射光源之一。而且我們的方案是面向國際公開的?！?/p>

為了更清晰地揭示微觀的結(jié)構(gòu)，必須用超光滑的鏡面將光聚焦到極高的亮度。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，這里建造了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，國際專家將其評(píng)為全球最高實(shí)驗(yàn)水平，具有無與倫比的光學(xué)鏡面檢測(cè)能力。

這樣的鏡子一面就30萬到200萬元人民幣不等，讓彭望龍吃驚了一把，他迫不及待地走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室一睹真容......

2026年，HEPS將正式運(yùn)行。在過去三四十年里，中國規(guī)劃的77項(xiàng)國家重大科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，已有近半數(shù)建成運(yùn)行，這些大國重器正為科學(xué)和社會(huì)發(fā)展注入巨大動(dòng)力。

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制片人：張小玲

編導(dǎo)：李杰

編輯：于二丫