8月18日，高能同步輻射光源（HEPS）儲(chǔ)存環(huán)流強(qiáng)達(dá)到12毫安，這是HEPS建設(shè)的又一重要里程碑，標(biāo)志著HEPS加速器進(jìn)入了調(diào)束快行道。
HEPS是我國(guó)及亞洲首臺(tái)第四代同步輻射光源，也是全球首批10皮米弧度量級(jí)自然發(fā)射度的光源之一，其核心是一臺(tái)具有極低發(fā)射度的全新儲(chǔ)存環(huán)加速器，物理設(shè)計(jì)極具挑戰(zhàn)性。在國(guó)際通用的混合多彎鐵消色散結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，HEPS加速器設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地融合了包含縱向梯度二極鐵和反向彎轉(zhuǎn)二極鐵的新型單元節(jié)等多項(xiàng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，完成了國(guó)際已建及在建同類(lèi)光源中自然發(fā)射度指標(biāo)最高的儲(chǔ)存環(huán)設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，HEPS還首次提出并采用了基于增強(qiáng)器高能累積的置換注入方案，為高電荷量束團(tuán)置換注入開(kāi)辟了新路徑。
HEPS工程總指揮潘衛(wèi)民研究員指出，“為了實(shí)現(xiàn)國(guó)際一流的加速器及光源整體性能，磁鐵、電源、真空、注入、機(jī)械、準(zhǔn)直、高頻、束測(cè)、控制、定時(shí)、插入件等硬件指標(biāo)要達(dá)到第四代光源的高標(biāo)準(zhǔn)和高要求。調(diào)束初期，儲(chǔ)存環(huán)就有1776塊磁鐵，2500余臺(tái)電源，578個(gè)電子束流位置探測(cè)器，1360米真空室，3個(gè)高頻腔，2臺(tái)脈沖沖擊器和切割磁鐵，控制信號(hào)超過(guò)10萬(wàn)路，任何一個(gè)微小的硬件錯(cuò)誤，例如一個(gè)硬阻攔或設(shè)備安裝錯(cuò)位，都會(huì)影響電子束的軌跡，另外，HEPS與眾不同，它有注入和引出兩塊切割磁鐵，垂直物理孔徑僅兩三個(gè)毫米，對(duì)調(diào)束來(lái)說(shuō)，這無(wú)疑是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)”。
經(jīng)過(guò)5年的建設(shè)，今年7月1日HEPS儲(chǔ)存環(huán)完成全部設(shè)備研制和安裝，啟動(dòng)多系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試，隨后加速器物理與各硬件系統(tǒng)交叉協(xié)作，完成磁鐵極性測(cè)試、硬件遠(yuǎn)控測(cè)試、調(diào)束軟件-硬件測(cè)試等加速器聯(lián)合調(diào)試。此外，為了應(yīng)對(duì)超低發(fā)射度儲(chǔ)存環(huán)首圈調(diào)束可能面臨的各種挑戰(zhàn)，加速器物理與束測(cè)系統(tǒng)基于增強(qiáng)器開(kāi)展了大量的束流實(shí)驗(yàn)，為儲(chǔ)存環(huán)調(diào)束監(jiān)測(cè)手段做了充分準(zhǔn)備。
7月23日12點(diǎn)45分，各系統(tǒng)認(rèn)真核查，并完成開(kāi)機(jī)準(zhǔn)備單簽署后，HEPS儲(chǔ)存環(huán)正式開(kāi)機(jī)調(diào)束。當(dāng)天，開(kāi)機(jī)僅三個(gè)小時(shí)即實(shí)現(xiàn)了單束團(tuán)電子束的高能輸運(yùn)線傳輸及儲(chǔ)存環(huán)首次在軸注入，隨后成功實(shí)現(xiàn)單束團(tuán)電子束繞儲(chǔ)存環(huán)首次循環(huán)貫通。
開(kāi)機(jī)以來(lái)，HEPS加速器部副主任焦毅研究員帶領(lǐng)平均年齡僅34歲的調(diào)束團(tuán)隊(duì)，每天24小時(shí)不間斷地進(jìn)行調(diào)束。他提到，儲(chǔ)存環(huán)調(diào)束面臨物理孔徑嚴(yán)格限制（兩臺(tái)切割磁鐵處垂直物理孔徑僅±2.5 毫米）、動(dòng)力學(xué)孔徑?。s1 毫米）、軌道響應(yīng)非線性顯著、可調(diào)變量極多（僅校正子即有1000多個(gè)變量）、調(diào)束初期束流狀態(tài)監(jiān)測(cè)精度受限等多重困難和挑戰(zhàn)，調(diào)束團(tuán)隊(duì)成員通力協(xié)作，各自發(fā)揮所長(zhǎng)，通過(guò)采用逐校正子強(qiáng)度掃描、校正子組合搭配、工作點(diǎn)調(diào)節(jié)、高頻頻率及其他參數(shù)優(yōu)化、脈沖元件參數(shù)掃描、注入延時(shí)調(diào)節(jié)、注入束參數(shù)優(yōu)化、六極鐵強(qiáng)度優(yōu)化、局部軌道調(diào)節(jié)等能想到的各種手段，克服了各項(xiàng)困難和挑戰(zhàn)。
8月6日凌晨，HEPS儲(chǔ)存環(huán)首次成功實(shí)現(xiàn)單束團(tuán)束流存儲(chǔ)。隨后啟動(dòng)多束團(tuán)注入調(diào)試，并通過(guò)斜四極鐵強(qiáng)度調(diào)節(jié)、全局及局部閉軌測(cè)量與校正、注入束電荷量及穩(wěn)定性優(yōu)化等手段，持續(xù)提升存儲(chǔ)流強(qiáng)和束流壽命。
8月18日，儲(chǔ)存環(huán)成功存儲(chǔ)35個(gè)束團(tuán)，流強(qiáng)達(dá)到12毫安。潘衛(wèi)民表示，“儲(chǔ)存環(huán)成功實(shí)現(xiàn)束流存儲(chǔ)是一項(xiàng)重大進(jìn)展，這表明我們前期的設(shè)備安裝、調(diào)試非常成功，也標(biāo)志著HEPS光源進(jìn)入了一個(gè)新的階段?！?
HEPS科學(xué)技術(shù)委員會(huì)主任、儲(chǔ)存環(huán)調(diào)束總顧問(wèn)陳森玉院士在親自參加調(diào)束后表示，“HEPS儲(chǔ)存環(huán)僅有毫米級(jí)的動(dòng)力學(xué)孔徑，加上注入引出區(qū)存在兩個(gè)垂直方向±2.5毫米的物理孔徑限制，其調(diào)束任務(wù)是異常艱巨的。HEPS調(diào)束團(tuán)隊(duì)在很短的時(shí)間內(nèi)就取得了很好的調(diào)束成果，可以說(shuō)幾乎沒(méi)有走一點(diǎn)彎路，表現(xiàn)出色”。
在接下來(lái)的幾個(gè)月內(nèi)，HEPS調(diào)束團(tuán)隊(duì)將再接再厲，提升和優(yōu)化電子束流流強(qiáng)、壽命等參數(shù)，力爭(zhēng)盡早為光束線站供光。
HEPS是我國(guó)“十三五”期間優(yōu)先建設(shè)的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施之一，是國(guó)家發(fā)展改革委批復(fù)立項(xiàng)，中國(guó)科學(xué)院、北京市共建懷柔科學(xué)城的核心裝置，由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所承擔(dān)建設(shè)，于2019年6月啟動(dòng)建設(shè)，建設(shè)周期6.5年。目前，HEPS直線加速器、增強(qiáng)器已滿能量出束，儲(chǔ)存環(huán)正在束流調(diào)試，光束線站正在加緊設(shè)備安裝。建成后，HEPS可發(fā)射比太陽(yáng)亮度高1萬(wàn)億倍的光，將是世界上亮度最高的第四代同步輻射光源之一，也將是中國(guó)第一臺(tái)高能量同步輻射光源，使中國(guó)繼歐、美之后躋身為世界三大第四代高能同步輻射光源所在地之一，將與我國(guó)現(xiàn)有的光源形成能區(qū)互補(bǔ)，面向航空航天、能源環(huán)境、生命醫(yī)藥等領(lǐng)域用戶開(kāi)放。
附：儲(chǔ)存環(huán)調(diào)束進(jìn)展記錄
7月23日，HEPS儲(chǔ)存環(huán)開(kāi)機(jī)調(diào)束，開(kāi)機(jī)后三小時(shí)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了單束團(tuán)電子束的高能輸運(yùn)線傳輸及儲(chǔ)存環(huán)首次在軸注入，并通過(guò)使用基于自主開(kāi)發(fā)的物理調(diào)束軟件框架Pyapas的半自動(dòng)束流首圈軌跡調(diào)節(jié)程序，在實(shí)現(xiàn)電子束首次注入后不到五個(gè)小時(shí)的時(shí)間內(nèi)，成功實(shí)現(xiàn)了電子束在儲(chǔ)存環(huán)上的首圈貫通。
7月29日，單束團(tuán)電子束循環(huán)超過(guò)10圈；隨后逐步開(kāi)啟高頻腔、增加六極鐵強(qiáng)度，以補(bǔ)償束流同步輻射能量損失、自然色品。
8月6日，成功實(shí)現(xiàn)單束團(tuán)電子束存儲(chǔ)，流強(qiáng)約60 微安，壽命超過(guò)1 分鐘，隨后開(kāi)始多束團(tuán)注入調(diào)試。
8月18日，成功存儲(chǔ)35個(gè)束團(tuán)，流強(qiáng)達(dá)到12毫安。
附錄：HEPS加速器相關(guān)技術(shù)水平
為了實(shí)現(xiàn)國(guó)際一流的加速器及光源整體性能，磁鐵、電源、真空、注入、機(jī)械、準(zhǔn)直、高頻、束測(cè)、控制、定時(shí)、插入件等硬件指標(biāo)要達(dá)到當(dāng)前所能達(dá)到的最好水平。
在磁鐵技術(shù)方面，HEPS縱向梯度二極磁鐵采用了節(jié)能環(huán)保的永磁方案，積分磁場(chǎng)離散性達(dá)到±5×10-5，比第三代光源小一個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平；超高梯度四極磁鐵的磁場(chǎng)梯度達(dá)到80 T/m，是第三代光源的4倍。
在準(zhǔn)直技術(shù)方面，HEPS預(yù)準(zhǔn)直首次采用多路激光邊長(zhǎng)交會(huì)測(cè)量法，在5m范圍內(nèi)穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)了4μm絕對(duì)測(cè)量精度，儲(chǔ)存環(huán)精準(zhǔn)直全面測(cè)量在1360m狹長(zhǎng)隧道空間實(shí)現(xiàn)了絕對(duì)0.2mm、相對(duì)0.02mm的超高測(cè)量精度，首次研發(fā)了基于束流理論軌道和絕對(duì)偏差的偏差平滑法，達(dá)到國(guó)際最好水平。
在束測(cè)技術(shù)方面，HEPS束流位置測(cè)量系統(tǒng)全部實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，自主研發(fā)的數(shù)字束流位置電子學(xué)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果優(yōu)于10 nm，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平；成功建設(shè)束流截面診斷束線，可實(shí)現(xiàn)微米級(jí)束團(tuán)截面的精確測(cè)量，分辨率較三代光源提升一個(gè)量級(jí)。
在磁鐵電源技術(shù)方面，HEPS電源實(shí)現(xiàn)了高精度全數(shù)字化閉環(huán)控制。HEPS儲(chǔ)存環(huán)四極磁鐵電源，基于軟開(kāi)關(guān)拓?fù)涞葎?chuàng)新，輸出電流長(zhǎng)期穩(wěn)定度優(yōu)于10ppm，重復(fù)性優(yōu)于20ppm，準(zhǔn)確度優(yōu)于50ppm，比第三代光源小一個(gè)數(shù)量級(jí)；快校正磁鐵電源，采用多電平逆變的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等先進(jìn)設(shè)計(jì)，小電流階躍響應(yīng)時(shí)間優(yōu)于75μs，輸出電流紋波優(yōu)于20ppm，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
在真空技術(shù)方面，為了適應(yīng)緊湊型多彎鐵消色散磁聚焦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，HEPS儲(chǔ)存環(huán)全面采用了小孔徑真空盒（最小內(nèi)徑8 mm），以及全新的真空盒內(nèi)壁非蒸散型吸氣劑（NEG）鍍膜技術(shù)。
在注入技術(shù)方面，HEPS采用相比第三代光源全新的在軸注入方案，并實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備的全國(guó)產(chǎn)化。切割磁鐵采用原創(chuàng)的半真空結(jié)構(gòu)形式，切割板厚度2mm，磁鐵場(chǎng)強(qiáng)為1T，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平；自主研發(fā)的超快脈沖電源，脈沖底寬小于10ns，脈沖電壓幅度大于±15kV，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
在磁鐵單元的機(jī)械支撐技術(shù)方面，HEPS自主研發(fā)了高剛性的精密楔形調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、高彈?；炷粱捌洵h(huán)氧灌漿安裝工藝等，本征頻率達(dá)到70Hz，是第三代光源的3倍；同時(shí)運(yùn)動(dòng)分辨率達(dá)到1μm，為目前國(guó)內(nèi)外同尺度設(shè)備達(dá)到的最高指標(biāo)。
在高頻技術(shù)方面，HEPS自研的數(shù)字低電平系統(tǒng)以及自主開(kāi)發(fā)的高頻控制軟件，在控制穩(wěn)定度方面與國(guó)際最好水平相當(dāng)；全國(guó)產(chǎn)的260kW全固態(tài)功率源，性能指標(biāo)和功率等級(jí)均達(dá)到國(guó)際水平；全國(guó)產(chǎn)的500MHz超導(dǎo)腔，綜合性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際最好水平；成功自主研制的166MHz超導(dǎo)腔，是國(guó)際上首臺(tái)用于加速近光速粒子的四分之一波長(zhǎng)主動(dòng)型超導(dǎo)腔，實(shí)現(xiàn)了高階模式的深度抑制，即將安裝在儲(chǔ)存環(huán)上以進(jìn)一步提升束流流強(qiáng)。
在定時(shí)控制方面，HEPS基于micro TCA的事件定時(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多環(huán)的靈活注入引出及升降能控制，同步精度在1.5公里范圍內(nèi)達(dá)到30 ps，關(guān)鍵設(shè)備達(dá)到10 ps以下；在電源控制方面，采用微服務(wù)及容器化布署，解決了2300余臺(tái)數(shù)字化電源的實(shí)時(shí)控制難題，電源同步控制延時(shí)低于4ms；處于國(guó)際先進(jìn)水平。
在插入件技術(shù)方面，HEPS成功研制了國(guó)際上周期長(zhǎng)度最短的低溫波蕩器CPMU12，關(guān)鍵指標(biāo)包括相位誤差和多極場(chǎng)誤差等均處于世界領(lǐng)先水平。此外，為滿足大視場(chǎng)X射線診斷和探傷的用戶需求，在國(guó)際上率先提出并研制了芒果型扭擺磁鐵；在國(guó)際上首次設(shè)計(jì)和制造四陣列Apple Knot型波蕩器，具有低熱負(fù)載、極化可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。
HEPS儲(chǔ)存環(huán)束流狀態(tài)圖，8月18日，儲(chǔ)存環(huán)束流流強(qiáng)達(dá)到12毫安
儲(chǔ)存環(huán)調(diào)束團(tuán)隊(duì)正在緊張工作
HEPS儲(chǔ)存環(huán)隧道內(nèi)
HEPS航拍圖（2024年8月拍攝）
附件下載：
