德国柏林同步辐射光源启用欧洲首台超导X射线光谱仪

2026年4月29日，德国柏林赫尔姆霍兹材料与能源中心（HZB）宣布，由HZB、德国马克斯·普朗克化学能源转化研究所（MPI-CEC）和美国国家标准与技术研究院（NIST）联合研制的超导过渡边沿传感器（TES）阵列X射线光谱仪，在BESSY II同步辐射光源正式投入运行。这是欧洲首台、全球第六台部署于同步辐射X射线源的TES阵列光谱仪，也是目前唯一集成于软X射线波段（UE52-SGM束线）并支持偏振调控的同类设备。

该仪器核心为含248个独立像素的TES传感器阵列，工作温度低至25毫开尔文（mK），需依赖He4-He3稀释制冷机维持——这类制冷系统与当前商用量子计算机所用冷却平台属同一代技术。当X射线激发样品后，其发射的软X射线光子被单个TES像素捕获，引发超导态瞬时破坏，电阻突变信号经超导量子干涉器件（SQUID）阵列电路读出，实现单光子能量分辨。相比传统硅漂移探测器（SDD）或CCD型XES/RIXS光谱仪，其光子探测效率提升100–1000倍，信噪比显著改善，尤其适用于极弱信号场景。

技术突破直接拓展了X射线发射谱（XES）和共振非弹性X射线散射（RIXS）的应用边界。过去这两类技术因‘光子饥饿’特性，仅能用于高浓度、体相样品；而新光谱仪使原子单层、二维材料、表面吸附分子、掺杂浓度低于0.1%的痕量体系，以及磁性纳米结构等低维/低丰度体系的电子结构原位表征成为可能。例如，对石墨烯/过渡金属硫化物异质结的价带劈裂、单原子催化剂中Fe-N₄配位环境的电荷转移、或锂电池正极材料循环过程中微量Ni³⁺/Ni⁴⁺比例变化，均可在数分钟内完成高分辨率XES测量——此前同类实验需数小时甚至整夜连续采集。

整套系统集成于定制化超高真空（UHV）样品腔，支持10 K至室温控温，并兼容原位样品制备（如溅射沉积、分子束外延、气体吸附）。其安装位置为BESSY II的UE52-SGM束线，该束线具备偏振可调功能，为后续开展X射线磁圆二色谱（XMCD）与RIXS-MCD联用测量预留接口。HZB团队明确表示，下一步将升级样品腔磁体模块，实现Zui高7特斯拉磁场下的RIXS-MCD原位测量，服务于自旋电子学与量子材料研究。

从全球布局看，目前仅5台TES光谱仪部署于X射线光源：美国阿贡国家实验室APS、劳伦斯伯克利国家实验室ALS、斯坦福同步辐射光源SSRL、布鲁克海文国家实验室NSLS-II各1台；日本SPring-8有1台。BESSY II这台是欧洲唯一，且是首个面向用户开放的软X射线TES阵列平台。其技术路径源自天体物理领域——Zui初为探测宇宙微弱X射线背景辐射而开发，现成功迁移至凝聚态物理与先进材料表征。对采购与运维人员而言，该设备凸显三个关键现实约束：一是25 mK低温系统依赖稀释制冷机，日常维护需氦同位素供应链支持及专业低温工程师驻场；二是SQUID读出电路对电磁屏蔽要求极高，现场安装需独立法拉第笼与振动隔离平台；三是248像素阵列虽提升通量，但单像素有效面积仅约100 μm×100 μm，对光路准直与样品定位精度提出亚微米级要求，常规光学调整工装难以满足。

对中国科研设备采购方与同步辐射用户而言，该案例提示一个具体关注点：国内正在建设的上海硬X射线自由电子激光装置（SHINE）、北京高能同步辐射光源（HEPS）二期软X射线线站，以及合肥先进光源（HALF）预研项目，在规划XES/RIXS终端时，需提前评估TES阵列技术的工程适配性——包括稀释制冷机国产化替代进度（目前国内尚无商用He4-He3稀释机量产能力）、SQUID读出链的本地化标定能力，以及超高真空腔体与同步辐射束线接口的机械公差匹配标准。BESSY II此次上线并非单纯技术展示，而是验证了超低温探测器在第三代同步辐射光源上的工程落地可行性，为中国下一代光源终端设计提供了可复用的低温-真空-电磁兼容集成范式。