作為中國第一臺第四代同步輻射光源，高能同步輻射光源(High Energy Photon Source，HEPS)于2019 年在北京懷柔科學城的北部核心區啟動建設，并計劃于2025 年底建成并投入使用。HEPS 光源是我國“十三五”期間優先建設的，為國家重大戰略需求和前沿基礎科學研究提供技術支撐平臺的國家重大科技基礎設施之一。圖1 展示了HEPS光源建設情況和效果示意圖。光源整體建筑外形酷似一個放大鏡，又似一枚開啟未知世界的鑰匙。HEPS 光源建成后，將成為世界上最亮的第四代同步輻射光源之一，進而發展成為世界上最先進的X射線光子科學研究平臺之一。這將填補我國高能區同步輻射裝置的空白，同時使中國繼美、歐、日、德之后躋身為世界五大高能同步輻射光源所在地之一，為科學家探索微觀物質世界，向更深更廣的未知領域探索增添又一利器。
圖1 HEPS光源建設情況(a)(圖片來源于《北京日報》，潘之望攝)及效果示意圖(b)。該光源于2019 年6 月啟動開工建設
自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。在光子科學前沿研究的持續推動下，同步輻射光源已經歷了幾代的發展。其中，第三代同步輻射光源是20 世紀基礎科學研究領域應用最為廣泛、性能優異的X射線源。其利用加速器中產生的高性能電子束(發射度在1000~5000 pm?rad)，通過彎轉磁鐵或特殊設計的波蕩器等插入件，產生具有寬波段、高準直、高偏振、高亮度、高穩定性等優異性能的X射線，為物理、化學、環境、材料、生命科學等領域的前沿研究提供了良好的研究平臺。目前，全世界有超過50 臺光源在同時運行。
進入21 世紀以來，世界各國紛紛提出未來光源的發展規劃。幾乎所有的規劃報告都對性能更為先進的光源提出了需求。發展第四代光源，對服務國家經濟社會發展，滿足前沿基礎科學研究需求，提升國家整體競爭力，均有非常重要的意義。第四代光源主要有基于電子直線加速器的自由電子激光和基于電子儲存環的第四代同步輻射光源等兩個主要發展方向。以下將介紹第四代同步輻射光源的基本概念、設計挑戰和HEPS的設計方案與關鍵技術。
同步輻射光源的一個最重要的設計目標是實現盡可能高的同步光亮度。這要求除了在儲存環內實現盡可能高的電子束流強(百毫安量級)，并采用各種先進插入件之外，最為關鍵的是，盡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著束流軌道循環運動，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，電子束的分布會達到一個平衡態。在零誤差和零流強近似下，電子束的垂直發射度接近于零，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發射度的具體數值，不過二者之和始終等于水平自然發射度。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盡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(采用更多的二極鐵①);同時，相應地增加橫向聚焦(采用強四極磁鐵)。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于TME原理設計的單元節，兩側為消色散長直線節，用于安裝各種插入件。此外，光源設計還需要考慮合理的儲存環周長及工程預算，以及盡可能地增加消色散長直線節的數量②。綜合以上考慮，第四代同步輻射光源普遍采用緊致型MBA結構，這也是其與第三代光源最本質的區別所在。通過采用緊致型MBA結構，增加儲存環中二極鐵的數目，并采用強橫向聚焦，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(圖2)，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布;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。
圖2 (a)第三代和第四代同步輻射光源的元件布局對比。其中，第四代同步輻射光源設計主要基于緊致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
第四代同步輻射光源所采用的超低發射度的緊致型MBA結構設計，給加速器物理與技術帶來了一系列挑戰，如圖3所示。
圖3 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系鏈條，紅色箭頭表示反向或相互影響的關系鏈條
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于，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。而對于第四代光源，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，第三代光源普遍采用的成熟的脈沖凸軌注入技術不再適用，需要發展適于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。在緊致型MBA結構中引入強橫向聚焦，需要盡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，須采用小孔徑真空盒。而當真空盒孔徑大幅減小后，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。
此外，由于強橫向聚焦和小孔徑磁鐵的采用，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。光源用戶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，這意味著電子密度大大增加;同時由于大量采用小孔徑真空盒，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。
值得指出的是，以上提到的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，圖3 中各個影響鏈條并非簡單的單向傳遞，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。
在廣泛借鑒國際光源領域的最新研究成果的基礎上，我們經過十余年的深入探索和迭代優化，充分結合國內加速器物理與技術的實際發展情況，完成了性能先進、切實可行的HEPS光源設計方案。
光源的整體設計方案如圖4 所示。HEPS 加速器由一臺直線加速器、一臺增強器、一臺超低發射度儲存環以及連接各部分的三條輸運線組成。電子束自產生后，在直線加速器被加速至5 億電子伏特(500 MeV);之后，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)，并最終注入至儲存環。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，用于安裝波蕩器等插入件設備;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。
圖4 HEPS光源整體設計布局示意圖。圖中給出了注入引出元件、超導高頻腔、插入件以及用戶束線(放射狀線條)的示意圖
在HEPS 儲存環設計中，我們基于改進的優化算法，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，以盡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群開始，不斷通過交叉、變異產生子群，并不斷演化，直至趨于優化。不過經驗顯示，在將遺傳算法應用于超低發射度儲存環設計這一復雜的優化問題時，其容易收斂至局部最優解。為此，我們在HEPS儲存環設計優化中引入了粒子群優化算法③，通過結合遺傳算法快速收斂和粒子群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，我們還利用機器學習對種群演化過程中積累的大量數據進行訓練，先后發展了基于聚類算法和神經網絡的性能更優異的優化算法。這些算法，為我們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采用混合MBA結構。借助于上述優化算法，我們提出了性能更優的改進型混合MBA結構。其采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HEPS的發射度，將光源亮度提升30%以上。
在HEPS 儲存環注入設計中，我們采用了國際上先進的在軸置換注入方案。該方案元件布局簡單，僅需要一塊切割磁鐵和脈沖沖擊器(kicker)。注入束經過kicker 偏轉后，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，有利于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(大于15 nC)的注入束。為了應對這些挑戰，在注入技術方面，我們發展了帶狀線沖擊器及其驅動快脈沖電源技術，可將沖擊脈沖寬度控制在10 ns 以內。在物理設計方面，我們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。通過采用這種方案，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。
在高梯度磁鐵和小孔徑真空技術實現方案上，我們在HEPS 光源的預制研究階段，攻克了相關的技術難題，在國內首次成功研發了80 T/m的超高梯度四極鐵和NEG鍍膜真空技術(圖5)。此外，在磁鐵加工、裝配、準直等環節中，采用嚴格的精度控制(如，四極磁鐵極面加工誤差小于20 微米，準直精度小于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。除了采用先進的NEG鍍膜技術，在真空設計中，我們還采用無氧銅作為真空盒主要材料，并對真空盒、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。
圖5 HEPS光源研制的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)
在束流集體不穩定性抑制方面，為了實現200mA的設計流強，我們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并予以改進。基于全環阻抗模型，我們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)、采用阻尼時間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。
在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，我們在誤差源控制、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，我們在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，我們利用開關電源技術，并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。對于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于0.3 微米的測量精度。為此，我們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，我們還開展了快軌道反饋系統的設計研制，目標是實現500 Hz 以上(目標1000 Hz)的有效反饋帶寬。
此外，在HEPS設計中，我們采取了嚴格的輻射防護及機器保護設計。作為一臺高能區的第四代光源，HEPS 儲存環中的電子束及同步光具有非常高的功率密度。必須采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，我們設計了基于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，將立即啟動打束，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，我們在HEPS 儲存環中安裝了束流準直器，將損失的電子集中收集，并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于安全范圍內。
按照規劃，HEPS 將于2025 年建成運行。屆時，它將與世界上正在運行的美國的APS、歐洲的ESRF、日本的SPring-8、德國的Petra-III(及其升級工程) 一起，構成世界五大高能同步輻射光源。HEPS 將為材料科學、化學工程、能源環境、生物醫學、航空航天、能源環境等眾多基礎和工程科學研究領域提供先進的實驗平臺，為我國在與經濟社會發展及工業核心需求相關的戰略性研究領域取得突破性創新，提供強有力的支撐。
