高能同步輻射光源

1947年，在粒子加速器中發現同步輻射以來，世界各國不斷設計建造產生高性能同步輻射的加速器裝置，同步輻射光源。 ^[12] 

1989年，建成的依託北京正負電子對撞機的北京同步輻射裝置為第一代高能同步輻射光源。 ^[11] 

1990年，建成的合肥同步輻射光源為第二代高能同步輻射光源。 ^[11] 

2009年，建成的上海光源為第三代高能同步輻射光源。 ^[11] 

2016年4月，高能同步輻射光源（HEPS）項目的預製研究和關鍵技術攻關項目——高能同步輻射光源驗證裝置（HEPS-TF）正式啓動。HEPS-TF是中國國家重大科技基礎設施“十二五”建設項目。 ^[3] 

2017年12月15日，高能同步輻射光源（HEPS）項目建議書獲得中國國家發展改革委正式批覆。項目建設週期6.5年。 ^[3] 

2019年1月31日，高能同步輻射光源驗證裝置（HighEnergyPhotonSourceTestFacility，HEPS-TF）通過工程驗收。 ^[2] 

2019年5月，在北京科技週上，圓環狀的“高能同步輻射光源”亮相，引起觀眾們的圍觀。 ^[1] 

2019年年中，“高能同步輻射光源”裝置預計在懷柔科學城北部核心區開工，於2025年底驗收並投入運行，是中國第一台高能同步輻射光源，也是世界上最亮的第四代同步輻射光源。 ^[1] 

2019年6月29日，中國首台高能同步輻射光源在北京懷柔啓動建設。 ^[4] 

2021年6月28日，由國家發展改革委立項支持、中國科學院高能物理研究所承擔建設的高能同步輻射光源（HEPS）[L1] 首台科研設備安裝，標誌着這一大科學裝置正式進入設備安裝階段。 ^[5] 

2023年2月1日，高能同步輻射光源儲存環隧道設備安裝正式啓動。 ^[6] 

2023年3月，從中科院高能所獲悉，14日，“十三五”國家重大科技基礎設施高能同步輻射光源（heps）直線加速器滿能量出束，成功加速第一束電子束。這是heps裝置建設的又一重要里程碑，進入科研設備安裝和調束並行階段。預計今年底，增強器將把電子束加速到額定的最高能量60億電子伏特。 ^[7] 

2023年9月18日，北京高能同步輻射光源項目坐落於北京懷柔雁棲湖畔，已經在雄安新區落地。中國電子工程設計院有限公司稱，該項目由全國勘察設計大師、國投集團首席科學家婁宇帶隊，中國電子院多個技術科研和設計團隊協同合作，從項目可研立項到項目落地攻克了多項技術和工藝難關。高能同步輻射光源配套工程已全面完工。 ^[10] 

2023年12月11日，國家重大科技基礎設施高能同步輻射光源（HEPS）儲存環最後一台磁鐵安裝就位，標誌着HEPS儲存環主體設備安裝閉環。 　 ^[13] 

2024年3月27日消息，年內高能同步輻射光源預計發射“第一束光”。 ^[14] 

整個建築形似放大鏡，寓意其為探索微觀世界的利器。建築主要包括加速器、光束線和實驗站。環形加速器中產生的高通量X光經過“通道”到達實驗站。裝置建設完成後，最多容納不少於90個實驗站，可以為不同的樣本做“體檢”。裝置設計壽命為30年，建成後還會不斷改造，期望其工作壽命為50年。 ^[1] 

高能同步輻射光源由中國科學院高能物理研究所作為法人單位，在北京市懷柔區建設，項目投資由中國國家投資和北京市配套解決。

儲存環能量達6千兆電子伏，發射度小於0.06納米·弧度，高性能光束線站容量不少於90個，提供能量達300千電子伏的X射線，具備納米量級空間分辨、皮秒量級時間分辨、毫電子伏量級能量分辨能力。 ^[3] 

第四代同步輻射光源的一個最重要的設計目標是實現儘可能高的同步光亮度。這要求除了在儲存環內實現儘可能高的電子束流強(百毫安量級)，並採用各種先進插入件之外，最為關鍵的是，儘可能地減小電子束在水平、垂直方向的發射度。作為同步輻射光源的主要部分，電子儲存環，通常建在一個水平面上。儲存環中的電子束沿着束流軌道循環運動，在二極鐵磁場作用下改變運動方向，同時發出同步輻射光。在同步輻射阻尼和量子激發的共同作用下，電子束的分佈會達到一個平衡態。在零誤差和零流強近似下，電子束的垂直髮射度接近於零，而水平發射度則會穩定在一個特定值，稱之為水平自然發射度。可以通過耦合調整的手段改變水平和垂直髮射度的具體數值，不過二者之和始終等於水平自然發射度。因此，第四代同步輻射光源的設計目標在儲存環設計中即主要體現為追求儘可能低的水平自然發射度。

根據加速器物理理論，水平自然發射度只與儲存環中二極鐵內的束流光學參數，特別是色散函數相關。在20 世紀80 年代初，著名華裔加速器物理學家鄧昌黎先生證明，儲存環設計存在“理論最小發射度”(TME)。根據TME原理，最有效的壓縮發射度的途徑為減小單塊二極鐵的彎轉角度(採用更多的二極鐵)；同時，相應地增加橫向聚焦(採用強四極磁鐵)。與之相對應的磁聚焦結構，稱為多彎鐵消色散結構(MBA)。MBA結構中間包含多個基於TME原理設計的單元節，兩側為消色散長直線節，用於安裝各種插入件。此外，光源設計還需要考慮合理的儲存環周長及工程預算，以及儘可能地增加消色散長直線節的數量。綜合以上考慮，第四代同步輻射光源普遍採用緊緻型MBA結構，這也是其與第三代光源最本質的區別所在。通過採用緊緻型MBA結構，增加儲存環中二極鐵的數目，並採用強橫向聚焦，將水平自然發射度降低1到2 個量級，使其接近甚至達到X射線的衍射極限(λ/4π, λ為X射線波長)。例如，波長為0.1 nm的硬X射線，其衍射極限發射度為8 pm∙rad；波長為1 nm的軟X射線，其衍射極限發射度為80 pm∙rad。因此，第四代儲存環光源有時也被稱為衍射極限儲存環光源。

以美國ALS 光源為例，在同樣的儲存環隧道內，通過將原來的三彎鐵消色散結構升級為九彎鐵消色散結構，成功地將水平自然發射度由2000 pm∙rad 降至~100 pm∙rad。電子束及同步光的束斑，在第三代光源中是一個扁平分佈；而在第四代光源中則變成一個很小的橢圓斑點，從而帶來亮度和橫向相干性的極大提升。 ^[12] 

(a)第三代和第四代同步輻射光源的元件佈局對比。其中，第四代同步輻射光源設計主要基於緊緻型多彎鐵消色散結構；(b)第三代和第四代光源的束斑截面對比。

第四代高能同步輻射光源的整體設計方案，高能同步輻射光源（HEPS）加速器由一台直線加速器、一台增強器、一台超低發射度儲存環以及連接各部分的三條輸運線組成。電子束自產生後，在直線加速器被加速至5 億電子伏特(500 MeV)；之後，經低能輸運線注入至增強器，在增強器中被進一步加速至60億電子伏特(6 GeV)，並最終注入至儲存環。高能同步輻射光源（HEPS）儲存環由48 個改進型混合7BA 單元組成，束流能量為6 GeV，最高流強200 mA，自然發射度約35 pm∙rad；提供48 個6 米長的消色散直線節，用於安裝波盪器等插入件設備；可在0.1 納米硬X 射線波段提供亮度超過1×10²² phs/s/mm²/mrad²/0.1%BW的高性能同步光。

高能同步輻射光源（HEPS）儲存環設計中，基於改進的優化算法，提出了性能更優的改進型混合MBA結構設計方案。在第四代光源儲存環的磁聚焦結構設計中，加速器專家普遍利用隨機優化算法在多維變量空間進行全局優化，以儘可能地挖掘衍光源的極限性能。其中，一個具有代表性的隨機優化算法是遺傳算法。其模擬自然界中的進化過程，從一個隨機生成的種子羣開始，不斷通過交叉、變異產生子羣，並不斷演化，直至趨於優化。不過經驗顯示，在將遺傳算法應用於超低發射度儲存環設計這一複雜的優化問題時，其容易收斂至局部最優解。為此，在高能同步輻射光源（HEPS）儲存環設計優化中引入了粒子羣優化算法，通過結合遺傳算法快速收斂和粒子羣算法不斷饋入多樣性的優點，從而更有效地搜索全局最優解。此外，還利用機器學習對種羣演化過程中積累的大量數據進行訓練，先後發展了基於聚類算法和神經網絡的性能更優異的優化算法。這些算法，為開展系統性的方案比較以及探索新型的磁聚焦結構提供了強大助力。世界各高能區光源的儲存環磁聚焦結構設計通常採用混合MBA結構。藉助於上述優化算法，提出了性能更優的改進型混合MBA結構。其採用包含反向彎轉二極鐵與縱向梯度二極鐵的新型單元節以及高-低束流包絡函數直線節設計。利用這種新型的MBA 結構，可以進一步減小高能同步輻射光源（HEPS）的發射度，將光源亮度提升30%以上。

高能同步輻射光源（HEPS）儲存環注入設計中，採用了國際上先進的在軸置換注入方案。該方案元件佈局簡單，僅需要一塊切割磁鐵和脈衝衝擊器(kicker)。注入束經過kicker 偏轉後，直接進入到儲存環的閉合軌道上，取代電荷量已衰減的循環束。這種注入方案對動力學孔徑要求較低，有利於追求極致的低發射度和高亮度。不過，它要求納秒量級的超快kicker以及高電荷量(大於15 nC)的注入束。為了應對這些挑戰，在注入技術方面，發展了帶狀線衝擊器及其驅動快脈衝電源技術，可將衝擊脈衝寬度控制在10 ns 以內。在物理設計方面，提出了增強器高能累積方案，充分利用置換注入中被替換的電子束。通過採用這種方案，將增強器低能階段單束團電荷量的需求降低至~7 nC，顯著降低了注入器的設計難度及運行風險。 ^[12] 

高梯度磁鐵和小孔徑真空技術實現方案上，在高能同步輻射光源（HEPS）光源的預製研究階段，攻克了相關的技術難題，在中國首次成功研發了80 T/m的超高梯度四極鐵和NEG鍍膜真空技術。此外，在磁鐵加工、裝配、準直等環節中，採用嚴格的精度控制(如，四極磁鐵極面加工誤差小於20 微米，準直精度小於30 微米)，以實現萬分之一量級的磁場質量，減小對束流動力學的擾動。除了採用先進的NEG鍍膜技術，在真空設計中，還採用無氧銅作為真空盒主要材料，並對真空盒、光子吸收器、波紋管等進行了優化設計，以同時滿足真空獲得、輻射能量吸收、阻抗優化等多方面要求。

高能同步輻射光源（HEPS）研製的80 T/m的超高梯度四極鐵(a)、真空盒內壁吸氣劑鍍膜系統(b)以及166.6 MHz超導高頻原型腔(c)

束流集體不穩定性抑制方面，為了實現200mA的設計流強，對儲存環阻抗和束流集體不穩定性進行了系統評估。通過對主要阻抗元件逐一建模，發現潛在的元件結構設計問題並予以改進。基於全環阻抗模型，開展了束流集體不穩定性的數值模擬研究，進而提出了相應的抑制措施，包括在儲存環中引入足夠大的正色品(+5)、採用阻尼時間0.1 ms的逐束團反饋系統、使用三次諧波腔(499.8 MHz)配合基頻腔(166.6 MHz，見圖5)實現束長拉伸等，以保證光源在高流強情況下穩定運行。

束流軌道穩定性控制方面，為了將插入件處的束流軌道穩定性控制在束團尺寸的10%以內，在誤差源控制、束流軌道精確測量、快軌道反饋系統設計等方面開展了大量的研究工作。影響電子束流軌道穩定性的兩個重要誤差源是地基振動及磁鐵電源紋波。為了有效控制誤差，在高能同步輻射光源（HEPS）地基施工環節，對儲存環隧道和實驗大廳進行了防微振基礎換填處理，將振動頻率在1 到100赫茲的地面振動在1 秒內的均方根位移積分控制在25 納米以內。在電源設計中，利用開關電源技術，並結合磁鐵自身的電感特性，將主磁鐵電源的電流紋波控制在10 ppm 以下。對束流軌道實現高精度控制和反饋的前提是對束流軌道的精確測量。對於高能同步輻射光源（HEPS），其束流位置測量系統要求在22 kHz 快軌道測量模式下實現優於0.3 微米的測量精度。為此，在束流位置測量系統的電子學硬件設計、固件開發及算法研究等方面開展了大量的研究工作，以在實現高測量精度的同時，保證測量系統的長期穩定性。與此同時，還開展了快軌道反饋系統的設計研製，目標是實現500Hz以上(目標1000 Hz)的有效反饋帶寬。

高能同步輻射光源（HEPS）設計中，採取了嚴格的輻射防護及機器保護設計。作為一台高能區的第四代光源，高能同步輻射光源（HEPS）儲存環中的電子束及同步光具有非常高的功率密度。必須採取嚴格的機器保護措施。一旦機器出現非正常運行的情況，這些措施將避免束流或同步光沉積導致的元件損傷和機器故障。為此，設計了基於束流軌道的機器保護系統。當電子束的軌道漂移超過特定閾值時，將立即啓動打束，在1 ms 以內將束流流強快速降為零，以保護真空設備免受同步光損傷。另外，在高能同步輻射光源（HEPS）儲存環中安裝了束流準直器，將損失的電子集中收集，並對準直器作專門的輻射屏蔽設計，以保障工作環境的輻射劑量始終處於安全範圍內。 ^[12] 

第四代同步輻射光源所採用的超低發射度的緊緻型MBA結構設計，給加速器物理與技術帶來了一系列挑戰。第四代同步輻射光源設計中面臨的系列加速器物理(綠色方框)及技術(藍色方框)挑戰。其中，綠色、藍色箭頭表示正向影響的關係鏈條，紅色箭頭表示反向或相互影響的關係鏈條。

第四代光源的主要挑戰之一是強非線性元件引起的動力學孔徑顯著減小的問題。衍射極限儲存環中的強橫向聚焦會導致很大的負自然色品。如果不對其加以校正，將會引起共振穿越或強流不穩定性等，限制儲存環的最高流強，影響光源的整體性能。因此，在衍射極限儲存環的設計中必須引入非常強的六極鐵將色品校正為正值。而六極鐵與二極、四極鐵的不同之處在於，它是非線性元件，是電子儲存環中非線性效應的最主要來源。因此，在利用六極鐵進行色品補償的同時，給儲存環中引入了極強的非線性效應。其結果是，相比第三代光源，第四代光源的動力學孔徑大幅減小。第三代光源的動力學孔徑在10 ~ 30 mm之間。而對於第四代光源，即使利用各種先進的理論與數值方法優化，其可實現的動力學孔徑通常限制在1mm量級。動力學孔徑的顯著減小有兩個直接的影響。其一，第三代光源普遍採用的成熟的脈衝凸軌注入技術不再適用，需要發展適於小動力學孔徑的新的注入方法和技術；其二，要求相應地革新注入器設計，以在實現高度穩定性的同時，滿足新注入方法的相關需求。

第四代光源中兩項至關重要的技術是小孔徑磁鐵與真空技術。在緊緻型MBA結構中引入強橫向聚焦，需要儘可能地增加四極鐵的梯度，縮短四極鐵的長度。這要求發展小孔徑、高梯度且高精度的四極鐵技術。為了與小孔徑磁鐵相匹配，須採用小孔徑真空盒。而當真空盒孔徑大幅減小後，傳統的真空獲得技術變得非常低效。這需要發展新的真空獲得技術，例如，國際上新發展的真空盒內壁非蒸散型吸氣劑(NEG)鍍膜技術。

由於強橫向聚焦和小孔徑磁鐵的採用，第四代光源的束流動力學對誤差極為敏感，因而對誤差控制、束流軌道穩定性和束流集體不穩定性控制等提出了更為嚴格的要求。這除了要求發展更好的誤差效應校正方法，還需要嚴格控制磁鐵及真空元件的加工和準直精度，將其推進至當前最好的技術水平。光源用户實驗所用的同步光性能與電子束流的軌道穩定性緊密相關。國際上，光源領域通常要求將電子束的軌道穩定性控制在束團尺寸的10%以內。在第四代光源中，電子束的水平和垂直方向尺寸均在微米量級，相應地，需要將軌道穩定性控制在亞微米量級。這就需要發展當前國際上指標最先進的束流監測技術、誤差源控制技術以及軌道實時反饋控制技術。此外，為了追求高亮度，第四代光源的電子束流強與第三代光源保持在同一量級，而水平自然發射度則下降1 到2 個量級，這意味着電子密度大大增加；同時由於大量採用小孔徑真空盒，束流阻抗顯著增強(橫向阻抗近似與真空盒孔徑的立方成反比)，其引起的束流集體效應在嚴重情況下將限制可穩定運行的最高流強。相應地，需要結合各種可能的抑制方法和手段，如逐元件分析優化阻抗、利用諧波腔拉伸束長、控制腔型結構的高次模、研發阻尼更快的逐束團反饋系統等，以有效控制各種束流集體不穩定性，確保光源在高流強下穩定運行。

這僅是第四代光源設計中部分代表性的物理及技術挑戰。此外，各個影響鏈條並非簡單的單向傳遞，有時候也會反向或相互影響。例如，在關鍵加速器技術無法取得有效突破的情況下，其技術瓶頸會反過來影響光源的物理設計及參數選擇。總體而言，第四代光源對加速器物理和技術均提出了非常“極限”的要求，其穩定的參數空間非常狹窄，加速器物理與技術之間的耦合非常顯著。第四代光源設計需要在多維變量空間對光源性能進行全局掃描和優化，在物理設計與技術路線之間作綜合的考量與權衡，最終在光源先進性、穩定性、經濟性等不同目標之間尋得合理的平衡。 ^[12]