8月18日,高能同步輻射光源(HEPS)儲存環(huán)流強達到12毫安,這是HEPS建設(shè)的又一重要里程碑,標志著HEPS加速器進入了調(diào)束快行道。
HEPS是我國及亞洲首臺第四代同步輻射光源,也是全球首批10皮米弧度量級自然發(fā)射度的光源之一,其核心是一臺具有極低發(fā)射度的全新儲存環(huán)加速器,物理設(shè)計極具挑戰(zhàn)性。在國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)計團隊創(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)等多項創(chuàng)新設(shè)計,完成了國際已建及在建同類光源中自然發(fā)射度指標最高的儲存環(huán)設(shè)計方案。同時,HEPS還首次提出并采用了基于增強器高能累積的置換注入方案,為高電荷量束團置換注入開辟了新路徑。
HEPS工程總指揮潘衛(wèi)民研究員指出,“為了實現(xiàn)國際一流的加速器及光源整體性能,磁鐵、電源、真空、注入、機械、準直、高頻、束測、控制、定時、插入件等硬件指標要達到第四代光源的高標準和高要求。調(diào)束初期,儲存環(huán)就有1776塊磁鐵,2500余臺電源,578個電子束流位置探測器,1360米真空室,3個高頻腔,2臺脈沖沖擊器和切割磁鐵,控制信號超過10萬路,任何一個微小的硬件錯誤,例如一個硬阻攔或設(shè)備安裝錯位,都會影響電子束的軌跡,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毫米,對調(diào)束來說,這無疑是一個巨大的挑戰(zhàn)”。
經(jīng)過5年的建設(shè),今年7月1日HEPS儲存環(huán)完成全部設(shè)備研制和安裝,啟動多系統(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,完成磁鐵極性測試、硬件遠控測試、調(diào)束軟件-硬件測試等加速器聯(lián)合調(diào)試。此外,為了應(yīng)對超低發(fā)射度儲存環(huán)首圈調(diào)束可能面臨的各種挑戰(zhàn),加速器物理與束測系統(tǒng)基于增強器開展了大量的束流實驗,為儲存環(huán)調(diào)束監(jiān)測手段做了充分準備。
7月23日12點45分,各系統(tǒng)認真核查,并完成開機準備單簽署后,HEPS儲存環(huán)正式開機調(diào)束。當天,開機僅三個小時即實現(xiàn)了單束團電子束的高能輸運線傳輸及儲存環(huán)首次在軸注入,隨后成功實現(xiàn)單束團電子束繞儲存環(huán)首次循環(huán)貫通。
開機以來,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)束團隊,每天24小時不間斷地進行調(diào)束。他提到,儲存環(huán)調(diào)束面臨物理孔徑嚴格限制(兩臺切割磁鐵處垂直物理孔徑僅±2.5 毫米)、動力學孔徑小(約1 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多個變量)、調(diào)束初期束流狀態(tài)監(jiān)測精度受限等多重困難和挑戰(zhàn),調(diào)束團隊成員通力協(xié)作,各自發(fā)揮所長,通過采用逐校正子強度掃描、校正子組合搭配、工作點調(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、注入延時調(diào)節(jié)、注入束參數(shù)優(yōu)化、六極鐵強度優(yōu)化、局部軌道調(diào)節(jié)等能想到的各種手段,克服了各項困難和挑戰(zhàn)。
8月6日凌晨,HEPS儲存環(huán)首次成功實現(xiàn)單束團束流存儲。隨后啟動多束團注入調(diào)試,并通過斜四極鐵強度調(diào)節(jié)、全局及局部閉軌測量與校正、注入束電荷量及穩(wěn)定性優(yōu)化等手段,持續(xù)提升存儲流強和束流壽命。
8月18日,儲存環(huán)成功存儲35個束團,流強達到12毫安。潘衛(wèi)民表示,“儲存環(huán)成功實現(xiàn)束流存儲是一項重大進展,這表明我們前期的設(shè)備安裝、調(diào)試非常成功,也標志著HEPS光源進入了一個新的階段?!?
HEPS科學技術(shù)委員會主任、儲存環(huán)調(diào)束總顧問陳森玉院士在親自參加調(diào)束后表示,“HEPS儲存環(huán)僅有毫米級的動力學孔徑,加上注入引出區(qū)存在兩個垂直方向±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)束團隊在很短的時間內(nèi)就取得了很好的調(diào)束成果,可以說幾乎沒有走一點彎路,表現(xiàn)出色”。
在接下來的幾個月內(nèi),HEPS調(diào)束團隊將再接再厲,提升和優(yōu)化電子束流流強、壽命等參數(shù),力爭盡早為光束線站供光。
HEPS是我國“十三五”期間優(yōu)先建設(shè)的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施之一,是國家發(fā)展改革委批復(fù)立項,中國科學院、北京市共建懷柔科學城的核心裝置,由中國科學院高能物理研究所承擔建設(shè),于2019年6月啟動建設(shè),建設(shè)周期6.5年。目前,HEPS直線加速器、增強器已滿能量出束,儲存環(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)射比太陽亮度高1萬億倍的光,將是世界上亮度最高的第四代同步輻射光源之一,也將是中國第一臺高能量同步輻射光源,使中國繼歐、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,將與我國現(xiàn)有的光源形成能區(qū)互補,面向航空航天、能源環(huán)境、生命醫(yī)藥等領(lǐng)域用戶開放。
附:儲存環(huán)調(diào)束進展記錄
7月23日,HEPS儲存環(huán)開機調(diào)束,開機后三小時內(nèi),實現(xiàn)了單束團電子束的高能輸運線傳輸及儲存環(huán)首次在軸注入,并通過使用基于自主開發(fā)的物理調(diào)束軟件框架Pyapas的半自動束流首圈軌跡調(diào)節(jié)程序,在實現(xiàn)電子束首次注入后不到五個小時的時間內(nèi),成功實現(xiàn)了電子束在儲存環(huán)上的首圈貫通。
7月29日,單束團電子束循環(huán)超過10圈;隨后逐步開啟高頻腔、增加六極鐵強度,以補償束流同步輻射能量損失、自然色品。
8月6日,成功實現(xiàn)單束團電子束存儲,流強約60 微安,壽命超過1 分鐘,隨后開始多束團注入調(diào)試。
8月18日,成功存儲35個束團,流強達到12毫安。
附錄:HEPS加速器相關(guān)技術(shù)水平
為了實現(xiàn)國際一流的加速器及光源整體性能,磁鐵、電源、真空、注入、機械、準直、高頻、束測、控制、定時、插入件等硬件指標要達到當前所能達到的最好水平。
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,積分磁場離散性達到±5×10-5,比第三代光源小一個數(shù)量級,達到國際領(lǐng)先水平;超高梯度四極磁鐵的磁場梯度達到80 T/m,是第三代光源的4倍。
在準直技術(shù)方面,HEPS預(yù)準直首次采用多路激光邊長交會測量法,在5m范圍內(nèi)穩(wěn)定實現(xiàn)了4μm絕對測量精度,儲存環(huán)精準直全面測量在1360m狹長隧道空間實現(xiàn)了絕對0.2mm、相對0.02mm的超高測量精度,首次研發(fā)了基于束流理論軌道和絕對偏差的偏差平滑法,達到國際最好水平。
在束測技術(shù)方面,HEPS束流位置測量系統(tǒng)全部實現(xiàn)國產(chǎn)化,自主研發(fā)的數(shù)字束流位置電子學實驗室測試結(jié)果優(yōu)于10 nm,達到國際先進水平;成功建設(shè)束流截面診斷束線,可實現(xiàn)微米級束團截面的精確測量,分辨率較三代光源提升一個量級。
在磁鐵電源技術(shù)方面,HEPS電源實現(xiàn)了高精度全數(shù)字化閉環(huán)控制。HEPS儲存環(huán)四極磁鐵電源,基于軟開關(guān)拓撲等創(chuàng)新,輸出電流長期穩(wěn)定度優(yōu)于10ppm,重復(fù)性優(yōu)于20ppm,準確度優(yōu)于50ppm,比第三代光源小一個數(shù)量級;快校正磁鐵電源,采用多電平逆變的拓撲結(jié)構(gòu)等先進設(shè)計,小電流階躍響應(yīng)時間優(yōu)于75μs,輸出電流紋波優(yōu)于20ppm,達到國際先進水平。
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,HEPS儲存環(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,并實現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備的全國產(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,磁鐵場強為1T,達到國際領(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,達到國際先進水平。
在磁鐵單元的機械支撐技術(shù)方面,HEPS自主研發(fā)了高剛性的精密楔形調(diào)節(jié)機構(gòu)、高彈?;炷粱捌洵h(huán)氧灌漿安裝工藝等,本征頻率達到70Hz,是第三代光源的3倍;同時運動分辨率達到1μm,為目前國內(nèi)外同尺度設(shè)備達到的最高指標。
在高頻技術(shù)方面,HEPS自研的數(shù)字低電平系統(tǒng)以及自主開發(fā)的高頻控制軟件,在控制穩(wěn)定度方面與國際最好水平相當;全國產(chǎn)的260kW全固態(tài)功率源,性能指標和功率等級均達到國際水平;全國產(chǎn)的500MHz超導(dǎo)腔,綜合性能指標達到國際最好水平;成功自主研制的166MHz超導(dǎo)腔,是國際上首臺用于加速近光速粒子的四分之一波長主動型超導(dǎo)腔,實現(xiàn)了高階模式的深度抑制,即將安裝在儲存環(huán)上以進一步提升束流流強。
在定時控制方面,HEPS基于micro TCA的事件定時技術(shù),實現(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)達到30 ps,關(guān)鍵設(shè)備達到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余臺數(shù)字化電源的實時控制難題,電源同步控制延時低于4ms;處于國際先進水平。
在插入件技術(shù)方面,HEPS成功研制了國際上周期長度最短的低溫波蕩器CPMU12,關(guān)鍵指標包括相位誤差和多極場誤差等均處于世界領(lǐng)先水平。此外,為滿足大視場X射線診斷和探傷的用戶需求,在國際上率先提出并研制了芒果型扭擺磁鐵;在國際上首次設(shè)計和制造四陣列Apple Knot型波蕩器,具有低熱負載、極化可調(diào)等優(yōu)點。
HEPS儲存環(huán)束流狀態(tài)圖,8月18日,儲存環(huán)束流流強達到12毫安
儲存環(huán)調(diào)束團隊正在緊張工作
HEPS儲存環(huán)隧道內(nèi)
HEPS航拍圖(2024年8月拍攝)
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