英文原题：Low-Dimension Structure Probe Beamline for Coherent X‑ray Scattering at HEPS

通讯作者：王焕华，中国科学院高能物理研究所，中国科学院大学核科学与技术学院

作者：Zhibang Shen (沈治邦)，Wangguo Guo (郭望果)，Xiaorong Weng (翁小榕)，Zhen Wang (王震)，Huan-hua Wang* (王焕华)

背景介绍

下一代光电子器件必须依赖低维度组件以满足高密度集成应用的需求，这要求对纳米尺度的材料及器件开展深入研究。例如，必须理解诸多超越摩尔定律的奇异行为，如薄膜生长初始阶段魔幻岛的形成、原子链的Peierls不稳定性、界面高温超导、多铁性关联、拓扑序以及各种界面涌现现象。在低维材料的实际应用中，其行为不可避免地受到维度效应（如量子限域效应、晶格对称性破缺、电子局域化、跨界面的波函数衰减等）和界面效应（如表面重构、弛豫、应变、界面极化、界面电荷转移、氧八面体旋转、键断裂、电子-声子耦合等）的调控。在将低维材料和器件可靠地应用于工业之前，也必需阐明这些问题。为了满足对功能材料与器件在纳米尺度下的加工-结构-性能关联性进行基础研究的需求，低维结构探针装置具有迫切的应用需求。

为此，我们在北京高能光子源（HEPS）设计建设了ID05低维结构探针（LoDiSP）光束线站，致力于研究低维材料与器件的结构及其结构动力学。该光束线工作能量范围为4.8–45 keV，并采用“2×2”结构排布：两个实验棚屋串联工作，每个棚屋可容纳两个实验区域。前端实验棚屋（EH1）专用于多环境X射线散射研究，配备有一台6+3圆衍射仪，并搭载多种样品环境装置以及一套吊装可伸缩的真空飞行管道，作为衍射仪的延伸臂。后端实验棚屋（EH2）将安装一个大型超高真空（UHV）腔室，集成一台6圆衍射仪，专用于表界面结构、动力学及薄膜人工调制生长行为的原位表面X射线散射（SXRS）研究。目前，EH1已建成并开放给用户使用，EH2正在筹备中。两个终站均设计支持共振/非共振X射线散射（XRS）、衍射（XRD）、反射（XRR）、原子对分布函数（PDF）以及广角（WA）、小角（SA）和掠入射（GI）几何条件下的X射线相关谱（XPCS）测量。

文章亮点

近日，中国科学院高能物理研究所、中国科学院大学王焕华研究员团队在Photon Science上发表了题为“Low-Dimension Structure Probe Beamline for Coherent X‑ray Scattering at HEPS”的研究论文(Article)，全面介绍了北京高能同步辐射光源（HEPS）低维结构探针光束线站的科学目标、设计原则、实验装置、设备性能、方法学和未来发展展望。

HEPS由150 MeV直线加速器、0.5–6 GeV增强器和6 GeV储存环组成，束流200 mA，发射度<60 pm·rad。LoDiSP位于HEPS-ID05低β直线段，其主要光学组件，如图1所示，包括：

图1. HEPS-ID05光束线主要光学元件示意图。

•光源：标准真空内波荡器（IVU），周期22.6 mm，总长4.2 m，最小磁隙5.0 mm，产生水平偏振X射线，12.4 keV时基波通量约5.9×10¹⁵ phs/s。

•单色器：水平双晶体单色器（HDCM），采用Si(111)晶体，低温冷却，位于距光源45.1 m处，能量带宽ΔE/E = 1.32×10^-4，能量调谐范围4.8–45 keV。

•聚焦元件：两组复合折射透镜（CRL），分别位于48.7 m和66.2 m处，将光束聚焦至3.2 μm（H）× 2.7 μm（V）@12.4 keV（EH1样品处）。

•稳定性设计：采用金刚石XBPM替代电离室监测强度以保持相干性，所有光学元件安装于隔振平台，配备主动束流位置反馈系统。

整条光束线站的布局如图2所示。经过实测，样品处总通量达7.04×10¹³ phs/s@12.4 keV，相干通量计算值为2.9×10¹² phs/s，角度分辨率≤0.0001°，最大Q值45 Å^-1，时间分辨率1.9 ms，温度范围3.7–1573.1 K，旋转稳定性≤1.6 μm，静态稳定性<0.1 μm，可满足Bragg CDI实验和XPCS实验的要求。

图2. HEPS-ID05-LoDiSP光束线布局图，图中标明了关键组件。

EH1（多环境X射线散射站）：2025年建成已开放。核心设备为Huber 6+3圆衍射仪（其3圆作偏振分析器），配100 k像素面探测器、Eiger 4M探测器及多种样品环境（低温恒温器3.7–350 K、高温台300–1573 K、UHV小腔室、电场/气体/磁场装置等）。吊装可伸缩真空飞行管道（2.47–7.60 m）作为衍射仪延伸臂，如图3所示，支持WA-/SA-/GI-XPCS及GISAXS。独立台架配备样品交换机器人和大面积平板探测器，支持高能透射/GI-PDF及GIWAXS。上游衰减器自动保护探测器，预留可伸缩偏振器用于REXS（手性材料研究），针孔光阑滤除高次谐波。

图3. 吊装可伸缩真空飞行管道（安徽国科制造），用作衍射仪的延伸扫描臂。

EH1提供的方法：共振/非共振X射线散射（XRS），包含热漫散射（TDS）、黄漫散射（HDS）、掠入射小角散射（GISAXS）、康普顿散射；X射线衍射（XRD），包括各种常规扫描、极图、倒易空间绘制（RSM）、晶体截断棒（CTR）分析、掠入射X射线衍射（GIXRD）/表面X射线衍射（SXRD）；X射线反射（XRR），包括常规的XRR及扩展XRR（与CTR方法重叠）；偏振分析；透射/掠入射原子对分布函数（PDF）；X射线光子关联谱（XPCS），包括掠入射（GI）XPCS、小角（SA）XPCS、广角（WA）XPCS、漫散射XPCS；布拉格相干衍射成像（Bragg CDI）。

EH2（原位表面X射线散射站）：在建中，如图4所示。它集成UHV主腔室（≤2×10⁻⁸ Pa）与Huber 6圆衍射仪，样品位于衍射仪旋转中心。铍窗允许水平入射/出射角达42°/43°，垂直出射角范围−5°–115°。支持MBE和PLD两种生长方式（通过法兰切换）。换样室通过闸阀连接，支持样品在真空内转移。样品操纵器稳定性优于1 μm，温控4–1500 K（低温+激光加热），支持常规加热和倏逝波调制（EWM）两种样品架，倏逝波调制原则上可将三维岛状生长转为二维层层生长，用于倏逝波调制的激光可用于光致相变。配备RHEED、离子枪、XRF探测器，支持原位生长中SXRS、XRD、XRR、WA-/SA-/GI-XPCS测量。GI-XPCS、时间分辨X射线散射（trSXRS）、RHEED与EWME结合，开辟薄膜生长工程调控新方向。

图4. 低维结构探针集成装置，由6圆衍射仪、原位超高真空样品腔、换样室、RHEED系统、离子枪、SDD探测器和倏逝波调制器组合而成。样品腔室分别使用脉冲激光和喷射源作为PLD和MBE的蒸发源。

总结/展望

HEPS-ID05-低维结构探针是一条功能全面的高能相干X射线散射光束线站，专为研究低维材料与器件的结构及其动力学行为而优化设计，可表征表界面上纳米结构的形状、应变分布、缺陷与尺寸等信息。其两个终端实验站，分别为用户提供多环境条件下的X射线散射实验能力（EH1）和超高真空条件下的原位表面X射线散射实验能力（EH2）。相干衍射成像等方法作为该线站方法学的新增手段，进一步拓展了其研究能力。

相关论文发表在Photon Science上，沈治邦工程师和郭望果博士为文章的并列第一作者，王焕华研究员为通讯作者。

Q&A

Photon Science:  您选择该领域的初心是？

作者团队：

光与物质的相互作用非常有趣且重要，其中X射线与物质的相互作用形式比可见光更为丰富多样，其中X射线散射表面散射可用于低维凝聚态体系的结构及其动态研究，基于HEPS光源建设这样一个光束线站可提供一个世界领先的研究平台。

Photon Science:  您对该领域的发展有何愿景？

作者团队：

在低维材料和异质结界面中发现新的层展现象，推进如界面高温超导的性能调制、机理与应用研究。

Photon Science:  请和大家分享一下这个领域可能会出现的研究机会。

作者团队：

多元素复杂化合物功能材料中会发现新的实验现象和物理性能。

Photon Science:  您认为该领域当前最值得关注/最有争议的研究热点是什么？

作者团队：

把多元素复杂化合物（如YBa₂Cu₃O_7-δ）薄膜的岛状生长本性人为调制成层状生长模式，解决其表面粗糙的瓶颈问题，藉此实现功能化合物薄膜的类硅工业化应用（如高温超导芯片，高温超导计算机等）。

通讯作者信息

王焕华，中国科学院高能物理研究所研究员，中国科学院大学岗位教授；1972年生于山东青岛，1995年本科毕业于山东大学物理系，2001年在中国科学院物理所获得博士学位，2001－2003年在康奈尔大学应用与工程物理系做博士后，自2004年至今在中国科学院高能物理研究所工作，期间于2005.11－2006.12间在斯坦福国际研究院做访问研究员，于2012.2－2013.4间在伊利诺伊大学香槟分校做访问学者；发明了系统消光材料的设计方法，提出了人为改变薄膜生长模式的倏逝波调制效应，升级改造了北京同步辐射装置漫散射实验站（BSRF-1W1A），主持设计建设了北京高能光源低维结构探针（HEPS-LoDiSP）光束线站，并在中国科学院大学教授《X射线晶体学》和《现代X射线物理：原理与应用》两门课程。

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Photon Sci. 2026

https://doi.org/10.1021/photonsci.6c00014

Publication Date: June 22, 2026

© 2026 The Authors. Co-published by ShanghaiTech University and American Chemical Society. 

关于Photon Science 

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