比太陽亮1萬億倍！中國的“超級顯微鏡”正式上崗，給原子拍高清大片

2026年3月29日，北京中關村論壇年會現場，一項重磅成果剛一公布，就引得全場目光聚焦——中國自己的“超級顯微鏡”HEPS，已經建成試運行了。這臺“超級顯微鏡”發出的光，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點上。不過嚴格來說，HEPS本身并不是一臺顯微鏡——它是一臺給全世界科學家使用的超級“探照燈”。它只負責發出那束亮得驚人的光，科學家用這束光照亮樣品后，再通過專門的光束線站、探測器和計算機算法，像“拼圖”一樣重建出樣品內部的三維結構。有了它，每一臺真正的顯微鏡都能看得比從前更遠、更清。

HEPS在100毫安高流強穩定供光

它坐落在北京懷柔科學城，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月啟動試運行到現在，短短幾個月里，它已經為91家單位完成了200多項前沿課題實驗，提供了近5000小時的“用光”時間。

從“意外發現”到“國之重器”：同步輻射的80年進化史

這束光的故事，要從1947年的一次意外講起。美國通用電氣公司的研究人員在調試加速器時，發現電子在轉彎時沿著切線方向"甩"出了一種強烈的X射線。起初他們只當是能量損耗，后來才意識到這是掃描原子世界的"超級探照燈"。從那以后，美國、歐洲、日本紛紛投入巨資建設同步輻射光源，它成了衡量科技實力的"國之重器"。

中國從20世紀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太難了：要把電子束的發散度壓縮到一根頭發絲的一億分之一，要在比拳頭還小的磁鐵孔里維持超高真空，還要在別人按年計算的調試周期里只用幾十天完成。

這些"卡脖子"難題，被中國科學家一個個硬啃下來：他們創新設計出新型磁鐵結構，自主攻克了探測器和真空鍍膜技術，甚至在安裝現場"穿針引線"般完成了上千塊磁鐵的亞毫米級對位。最終，比太陽亮1萬億倍的光，第一次從北京懷柔科學城射出——這束光，成了中國的"國之重器"。

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

HEPS如何“生產”比太陽亮1萬億倍的光？

走進懷柔科學城，你會看到一片占地127畝的白色建筑群，相當于12個標準足球場那么大。核心是一個周長1360米的電子儲存環——你可以把它想象成一個巨型的環形賽道，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）

整個過程可以概括為三步：首先，電子槍發射出電子束，就像起跑線上的運動員；接著，直線加速器和增強器像兩級火箭一樣，把電子的能量推到60億電子伏特——這個能量大概相當于把一只螞蟻加速到接近光速時攜帶的能量；最后，高能電子沖進儲存環，在精心設計的磁場中轉彎、振蕩，釋放出X射線。

為了把電子束的"發散度"壓到極致，科學家采用了一種名為"縱向梯度、反向彎轉二極磁鐵相結合的緊湊型混合多彎鐵消色散結構"的復雜設計，最終將自然發射度降低到約56.8皮米·弧度。1皮米是一米的一萬億分之一，這相當于把一根頭發絲分成數千萬份，只取其中一份那么細。真正讓HEPS"光芒萬丈"的，是波蕩器——它由一排正負交替的磁鐵構成，電子穿過去時會像蛇一樣左右扭動。每扭一次就發出一束光，無數個周期產生的光相互疊加、同步增強，亮度呈指數級暴漲。

HEPS儲存環、增強器及輸運線的布局

這就像合唱團里每個人單獨唱很普通，但所有人聲部精準對齊，音量就能震翻全場。

最終，HEPS發出的X射線比太陽亮1萬億倍，比醫院里拍胸片的X光機亮10萬億倍。與第三代光源相比，它的亮度提升了100到1000倍，是全球設計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300 keV（硬X射線），能輕松穿透金屬；空間分辨率達到12.5納米，能看清單個病毒；時間分辨率達到皮秒級——1皮秒等于一萬億分之一秒，足以拍下化學鍵斷裂的那一瞬間。

這束光能“看”清什么？

首先，它能看清航空發動機葉片內部的缺陷。飛機發動機的渦輪葉片工作時，要承受上千度的高溫和幾十個大氣壓的沖擊。如果內部藏著一絲裂紋，飛行中就可能導致災難性后果。

傳統檢測手段很難無損地透視金屬內部的微小缺陷，但HEPS的高能硬X射線就像一臺超級工業CT，能輕松穿透幾厘米厚的鎳基高溫合金，把葉片內部的三維結構拍得一清二楚。試運行期間，這個方向已經取得了重要成果。

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（第三次現場測試數據），水平聚焦半高寬10.5nm，垂直聚焦半高寬12.6nm

其次，它能看清蛋白質的原子結構。很多靶向藥的工作原理，就像一把鑰匙插入一把鎖——藥物分子精確地結合到某個蛋白質上，從而阻斷病毒或癌細胞的生長。但要設計這把“鑰匙”，首先得知道“鎖芯”長什么樣，也就是蛋白質的三維原子結構。

過去在第三代光源上解析一個蛋白質結構，往往需要連續數周的實驗。而HEPS的亮度提高了100到1000倍，原來幾周的工作，現在幾個小時就能完成。這對研發新藥、理解生命奧秘來說，無疑是巨大的加速。

第三，它能看清化學反應的實時過程。化學反應究竟是怎么發生的？比如氫氣和氧氣燃燒變成水，中間經歷了哪些驚心動魄的變化？傳統實驗只能看到反應前后的狀態，中間的過程就像一個黑匣子。

HEPS的脈沖結構相當于一臺皮秒級高速攝像機——每秒能拍一萬億幀畫面。用它來“拍攝”化學反應，就能親眼看到化學鍵斷裂、原子重新組合的每一個瞬間，簡直是一部精彩的“分子電影”。

第四，它能看清納米材料的性能奧秘。當材料的尺寸小到納米尺度——1納米只有頭發絲直徑的六萬分之一——它的性質會發生神奇的變化。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構，傳統顯微鏡無能為力。而HEPS的相干衍射成像技術，可以繞過透鏡的物理極限，直接通過計算反推出納米晶體的三維原子排布。這對研發下一代芯片、高效催化劑和超強材料至關重要。

HEPS連續76小時無故障100毫安穩定供光運行

試運行成果：已為200余項課題提供近5000小時機時

從2025年12月3日啟動試運行，到2026年2月中旬，短短兩個半月里，HEPS已經展現出強大的科研服務能力。它服務了91個單位，包括清華、北大等頂尖高校，以及比亞迪、寧德時代等行業領軍企業；完成了200余項課題實驗，覆蓋了航空葉片檢測、3D打印材料動態結構捕捉、高鐵輪轂應力檢測、液態和固態電池原位工況檢測、腦神經連接圖譜繪制、半導體納米結構成像等前沿方向；累計提供了近5000小時用戶機時，相當于每天24小時不間斷運行了200多天。

每一項成果都不是紙上談兵，而是實實在在的突破。比如在電池研究領域，HEPS能夠實時觀察充放電過程中，鋰離子在電極材料里的“遷徙”路徑，這為科學家設計更安全、續航更長的電池提供了前所未有的視角。

開展實驗的場景

從“跟跑”到“并跑”再到“領跑”

HEPS的建成，讓中國的同步輻射光源實現了從“追隨”到“領跑”的歷史性跨越。目前，全球僅有5臺第四代同步輻射光源：瑞典的MAX-IV（2015年運行）、巴西的SIRIUS（2020年運行）、歐洲的ESRF-EBS（2020年升級完成）、正在建設中的美國APS-U，以及中國的HEPS。HEPS不僅是亞洲第一臺，而且綜合性能達到了國際同類裝置的領先水平。

更值得驕傲的是，大量關鍵技術都是中國自主研發的。例如，HEPS需要大量X射線探測器，如果全部進口，一臺就要數百萬元。而中科院團隊經過十年積累，形成了完整的探測器自主研發能力，每臺自主研制的探測器可節省數百萬元，全部90多條線站建下來，僅探測器一項就能節省數億元。這背后，是一支高水平科研隊伍的茁壯成長，也是科技創新與產業創新深度融合的生動體現。2026年3月，HEPS已經啟動了首輪課題征集，來自全國乃至全球的科學家都可以申請機時，開展前沿研究。

未來已來：預計2026年正式開放

根據計劃，HEPS將于2026年通過國家驗收后正式投入運行。屆時，首期建設的14條用戶光束線站加上1條測試線站將全部開放，覆蓋成像、衍射、散射、譜學等多種實驗方法，能夠支撐材料科學、生命科學、能源環保等多領域的研究。

更令人期待的是，HEPS的設計容量不少于90條高性能光束線站——未來，它會像一個不斷擴張的“光之超市”，科學家們可以根據自己的需求，選擇不同波長、不同分辨率的“光產品”，去照亮各自領域未知的黑暗。

從1947年的意外發現，到2026年亞洲第一臺第四代光源發出比太陽亮1萬億倍的光芒，同步輻射技術走過了近80年的漫長旅程。如今，這束光正從北京懷柔科學城射出，照亮中國科技自立自強的新征程。