圖1 建設(shè)中的HEPS。不遠(yuǎn)處的雁棲湖、沿山脊蜿蜒而上的長(zhǎng)城和山頂?shù)姆榛鹋_(tái)清晰可見。
表1 HEPS加速器的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)
一、我國(guó)同步輻射光源發(fā)展助力國(guó)家科技水平的提升
中國(guó)的同步輻射裝置建設(shè)發(fā)端于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的合肥光源和高能物理研究所的北京同步輻射裝置(BSRF)。BSRF 是按照“一機(jī)兩用”的方針，作為北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(BEPC)的附屬設(shè)施于1989 年建設(shè)完成的國(guó)內(nèi)第一個(gè)用戶裝置。BSRF 建成以來(lái)，取得了一系列的重大成果，如SARS冠狀病毒主蛋白酶的晶體結(jié)構(gòu)解析、菠菜主要捕光復(fù)合物(LHC-II)2.72Å分辨率晶體結(jié)構(gòu)解析、三氧化二砷治療急性早幼粒細(xì)胞性白血病分子機(jī)制研究、碳基高效光解水催化劑研制等，也為我國(guó)同步輻射光源的后續(xù)發(fā)展培養(yǎng)了大批建設(shè)人才和用戶人才。
1993 年，丁大釗、方守賢和冼鼎昌三位院士高瞻遠(yuǎn)矚地提出了在北京建設(shè)第三代同步輻射光源的建議。由于當(dāng)時(shí)國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力所限，第三代光源建設(shè)經(jīng)楊福家、謝希德院士等專家的大力推薦，得到上海市政府對(duì)建設(shè)光源(所需的匹配經(jīng)費(fèi))的大力支持，1995 年開始了上海光源前期立項(xiàng)和預(yù)研工程。在陳森玉院士帶領(lǐng)下，高能所派出了一個(gè)完整的加速器專家團(tuán)隊(duì)和部分線站專家前往上海原子核研究所(后更名為上海應(yīng)用物理研究所)協(xié)助指導(dǎo)、推進(jìn)上海光源的立項(xiàng)和設(shè)計(jì)工作。后來(lái)幾經(jīng)周折，在廣大結(jié)構(gòu)生物學(xué)專家的大力支持下，上海光源于2004 年正式開工建設(shè)。2009 年建成后成為我國(guó)同步輻射的核心裝置，為多學(xué)科的科學(xué)研究和技術(shù)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。
隨著我國(guó)科學(xué)水平的不斷提升，高能所于本世紀(jì)初開始謀劃發(fā)展成為一個(gè)大型的綜合性多學(xué)科科學(xué)中心。2005 年成立了多學(xué)科研究中心，并開始了綜合性科學(xué)中心的規(guī)劃布局工作。2007 年開始，這個(gè)設(shè)想逐步得到懷柔區(qū)及北京市政府和科學(xué)院的大力支持，進(jìn)而成為我院在懷柔發(fā)展的一個(gè)突破點(diǎn)。2010 年，北京市和科學(xué)院共同簽署在懷柔建設(shè)北京綜合研究中心的合作協(xié)議，為未來(lái)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。此后，在廣大用戶的大力支持下，北京綜合研究中心開始了在懷柔建設(shè)綜合性科學(xué)中心的規(guī)劃組織工作。另一方面，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)家對(duì)大科學(xué)裝置建設(shè)的支持力度在持續(xù)增加。在謀劃“十二五”規(guī)劃過(guò)程中，集中建設(shè)數(shù)個(gè)大科學(xué)裝置形成綜合性國(guó)家科學(xué)中心的構(gòu)想，開始得到國(guó)家發(fā)改委以及地方政府相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)的支持。擬落戶懷柔的高能同步輻射光源驗(yàn)證裝置(HEPS-TF)、綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置和地球環(huán)境系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置同時(shí)獲批為“十二五”國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目。2017 年5 月，國(guó)家發(fā)改委正式批復(fù)由北京市和中國(guó)科學(xué)院聯(lián)合提交的《北京懷柔綜合性國(guó)家科學(xué)中心建設(shè)方案》，HEPS是綜合性國(guó)家科學(xué)中心的核心平臺(tái)型裝置。2019 年，在高能所HEPS項(xiàng)目指揮部辛勤努力和廣大用戶的大力支持下，HEPS 在北京懷柔正式開工建設(shè)，2025 年底建成后將成為懷柔綜合性國(guó)家科學(xué)中心的核心裝置。
二、HEPS 立項(xiàng)過(guò)程中的關(guān)鍵因素
1. 強(qiáng)烈的用戶需求為HEPS 立項(xiàng)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)
在謀劃北京懷柔大科學(xué)中心的初始階段，建設(shè)一個(gè)什么樣的光源經(jīng)歷了比較長(zhǎng)時(shí)間的論證。2007 年以來(lái)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)分別與國(guó)內(nèi)材料科學(xué)界、航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制單位以及中國(guó)工程物理研究院等重大需求用戶進(jìn)行了廣泛交流討論。先后組織召開了北京先進(jìn)光源(HEPS初期項(xiàng)目名稱)初步方案暨用戶交流會(huì)、環(huán)境科學(xué)和地質(zhì)科學(xué)用戶研討會(huì)、材料科學(xué)用戶研討會(huì)、生命科學(xué)用戶研討會(huì)。國(guó)內(nèi)各領(lǐng)域的代表性用戶對(duì)高能同步輻射光源的科學(xué)意義、性能指標(biāo)、主要研究定位等問(wèn)題進(jìn)行了深入的討論，明確了HEPS建設(shè)的緊迫性和必要性。
2009 年HEPS-TF 項(xiàng)目被列入《國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十二五”規(guī)劃》，2010 年8 月開始了HEPS-TF項(xiàng)目的調(diào)研和概念設(shè)計(jì)以及前期研究。
2011 年8 月29 日~31 日，以“高能同步輻射光源前沿科學(xué)和應(yīng)用”為主題的香山科學(xué)會(huì)議在北京召開。會(huì)議圍繞高能光源的先進(jìn)加速器技術(shù)、高能光源線站技術(shù)前沿、極端條件及國(guó)家安全相關(guān)科學(xué)研究、高能光源上的工程材料研究及工業(yè)應(yīng)用等中心議題進(jìn)行了深入的討論。與會(huì)專家認(rèn)為大型高能同步輻射光源在國(guó)家重大需求、工程材料實(shí)時(shí)研究、極端條件、前沿科學(xué)相關(guān)的科學(xué)研究方面發(fā)揮著關(guān)鍵的平臺(tái)支撐作用，低發(fā)射度、儲(chǔ)存環(huán)能量為5-6 GeV的高能光源是一個(gè)能滿足廣大用戶迫切需求的合理方案。
2016 年12 月23 日，HEPS 項(xiàng)目被列為《國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃》(發(fā)改高技〔2016〕2736 號(hào))優(yōu)先布局的十個(gè)建設(shè)項(xiàng)目之一。2017 年1 月17 日~18 日，以“準(zhǔn)極限高能光源帶來(lái)的新科學(xué)新技術(shù)”為主題的香山科學(xué)會(huì)議在北京召開。會(huì)議圍繞準(zhǔn)極限HEPS 在物質(zhì)材料科學(xué)、生命醫(yī)藥科學(xué)、工業(yè)工程應(yīng)用、能源環(huán)資研究中的科學(xué)突破及其對(duì)光源的技術(shù)需求等中心議題進(jìn)行了深入的討論。與會(huì)專家指出作為用戶裝置，HEPS 的建設(shè)目標(biāo)需充分考慮光源性能指標(biāo)與用戶需求之間的平衡，注重用戶科學(xué)需求;需與國(guó)家戰(zhàn)略需求、科學(xué)前沿、用戶需求相結(jié)合，成立相關(guān)的組織機(jī)構(gòu)，以長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的眼光，廣泛組織用戶參與探討，綜合考慮二期線站建設(shè)等因素，確定首期建設(shè)線站的選擇。
2016 年—2018 年期間，隨著HEPS項(xiàng)目立項(xiàng)工作的不斷推進(jìn)，項(xiàng)目組針對(duì)一期擬建設(shè)的線站或?qū)嶒?yàn)方法召開了系列國(guó)內(nèi)外研討會(huì)，包括成像、高壓、低維結(jié)構(gòu)探針?lè)治觥⒎酃庑〗巧⑸洹⒏吣苎苌?工程材料、生物大分子微晶衍射、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、軟X射線及中能譜學(xué)、核共振散射、X射線非彈性散射等。這些會(huì)議的召開，進(jìn)一步明確了各線站的應(yīng)用目標(biāo)，凝練了線站的功能和技術(shù)方案選擇，對(duì)線站設(shè)計(jì)和建設(shè)達(dá)成了共識(shí)。
2. 我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的發(fā)展是高能光源先進(jìn)性的關(guān)鍵
在HEPS 工程論證過(guò)程中，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷發(fā)展，根據(jù)專家的建議，國(guó)家發(fā)改委對(duì)HEPS的技術(shù)指標(biāo)提出了進(jìn)一步要求。為了保證HEPS建成時(shí)躋身世界一流光源行列，加速器方案設(shè)計(jì)需要充分借鑒國(guó)際加速器界先進(jìn)光源設(shè)計(jì)的最新進(jìn)展。
HEPS 方案的醞釀期間，恰逢國(guó)際上提出了基于儲(chǔ)存環(huán)進(jìn)一步提高同步光亮度和橫向相干性的第四代光源的概念。特別是2012 年起，國(guó)際上已有的高能儲(chǔ)存環(huán)光源(如ESRF，SPring-8 和APS)均計(jì)劃將束流能量調(diào)整為6 GeV、并采用MBA結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)超低發(fā)射度(60~150 pm·rad)，以提供高亮度和高性能的X波段同步輻射光(如ESRF UP PII、SPring-8-II、APS-U)。加速器設(shè)計(jì)上，多采用小孔徑、高梯度的四極鐵(如四極磁鐵內(nèi)孔徑25 mm左右，磁場(chǎng)梯度80 T/m左右)，以實(shí)現(xiàn)高性能并控制合理的造價(jià)。由于超低發(fā)射度設(shè)計(jì)需采用很高的聚焦強(qiáng)度，自然色品大，所以校正自然色品需要高強(qiáng)度的六極磁鐵;而后者會(huì)引入極強(qiáng)的非線性，給光源的束流動(dòng)力學(xué)性能優(yōu)化帶來(lái)很大困難，其動(dòng)力學(xué)孔徑相對(duì)第三代光源更小，從而對(duì)磁鐵的高階場(chǎng)、準(zhǔn)直誤差等要求也更為嚴(yán)格。同時(shí)，較小的動(dòng)力學(xué)孔徑，使得傳統(tǒng)的離軸注入累積束流的方式變得困難，需要采用基于納秒級(jí)快脈沖技術(shù)的在軸置換注入方式。此外，為了保持光源穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)勵(lì)磁電源的穩(wěn)定性，磁鐵支架系統(tǒng)及加速器運(yùn)行的隧道環(huán)境都提出了比第三代光源更為嚴(yán)格的要求，如表2。
表2 HEPS儲(chǔ)存環(huán)的硬件要求及其與第三代光源的對(duì)比
對(duì)照第四代光源的性能指標(biāo)和技術(shù)參數(shù)要求，國(guó)內(nèi)當(dāng)時(shí)在一些加速器、光束線和實(shí)驗(yàn)站的關(guān)鍵技術(shù)上存在不小的差距，必須通過(guò)高能同步輻射光源驗(yàn)證裝置(HEPS-TF)解決。2015 年2 月，HEPS-TF項(xiàng)目建議書獲得國(guó)家發(fā)展改革委批復(fù)。2016 年4月，HEPS-TF 初步設(shè)計(jì)報(bào)告獲得中科院批復(fù)，啟動(dòng)建設(shè)。
HEPS-TF 工程設(shè)立加速器、光束線站、工程材料分總體。為了在加速器物理設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)HEPS的總體指標(biāo)，同時(shí)確保相關(guān)的硬件技術(shù)指標(biāo)，如表2，在技術(shù)和工藝上切實(shí)可行，HEPS-TF加速器分總體設(shè)置了包括物理、磁鐵、電源、插入件、束測(cè)、高頻、機(jī)械與準(zhǔn)直、注入引出、真空和隧道環(huán)境試驗(yàn)等10個(gè)系統(tǒng)開展物理設(shè)計(jì)的研究與優(yōu)化和關(guān)鍵技術(shù)的預(yù)制研究。
經(jīng)過(guò)2 年6 個(gè)月的艱苦努力，以2018 年9 月21日插入件系統(tǒng)的3W1 超導(dǎo)扭擺器通過(guò)工藝測(cè)試為標(biāo)志，加速器分總體各系統(tǒng)完成了初步設(shè)計(jì)和任務(wù)書中所列的研制內(nèi)容，并按期完成了工藝測(cè)試，所研制設(shè)備均達(dá)到了預(yù)期性能。同時(shí)，結(jié)合關(guān)鍵技術(shù)的預(yù)研，完成了HEPS 項(xiàng)目建議書和HEPS 可行性研究報(bào)告的相關(guān)任務(wù)。這樣，通過(guò)HEPS-TF項(xiàng)目的實(shí)施，形成了一個(gè)性能上先進(jìn)、技術(shù)上可行的加速器設(shè)計(jì)方案，并在相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)上取得跨越發(fā)展，為HEPS的順利建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。HEPS以接近50 億元人民幣的投資規(guī)模，成為國(guó)家發(fā)改委投資額度最大的大科學(xué)工程項(xiàng)目。
3. 懷柔優(yōu)良的地質(zhì)條件是高能光源落戶懷柔的基礎(chǔ)
HEPS是院市共建北京懷柔綜合性國(guó)家科學(xué)中心的核心裝置，選址工作一直受到雙方的高度關(guān)注和大力支持。由于HEPS是一個(gè)接近衍射極限的第四代光源，其束流發(fā)射度較目前國(guó)際上現(xiàn)有的三代光源要小一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)地基的不均勻沉降和微振動(dòng)有很高要求。在選址過(guò)程中，懷柔候選地的有關(guān)地質(zhì)條件成為HEPS能否在北京懷柔建設(shè)的一個(gè)相對(duì)關(guān)鍵的限制條件。
HEPS初選的擬建設(shè)場(chǎng)地位于北京雁棲經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)中部，牤牛河與沙河之間、宰相村和安各莊西面。2011 年6~7 月，高能所委托中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所對(duì)該擬建設(shè)場(chǎng)地進(jìn)行了可行性研究勘察。結(jié)果表明該初選場(chǎng)地基巖埋深變化較大，深度從50 多米到230 米;由于其基巖巖性由花崗巖和火山碎屑巖經(jīng)數(shù)百萬(wàn)年沉積而成，其不均勻沉降較低，且選址地點(diǎn)離最近的八寶山-黃莊-高麗營(yíng)斷裂帶距離超過(guò)600 米，宏觀地質(zhì)條件滿足HEPS 建設(shè)要求。
地基的微振動(dòng)方面，自2011 年開始，高能所項(xiàng)目人員先后多次對(duì)初選擬建設(shè)場(chǎng)地進(jìn)行了微振動(dòng)測(cè)量。測(cè)試結(jié)果表明擬建設(shè)場(chǎng)地水平向振幅大于垂直向振幅，安靜期間水平向振幅為50.3~84.5 nm，垂直向振幅為30.7~82.0 nm;嘈雜期間水平向振幅為57.0~117.1 nm，垂直向振幅為44.8~92.8 nm，與世界各地主要加速器的地基微振動(dòng)情況相比處于中等偏差的位置。從國(guó)內(nèi)來(lái)看，比上海光源的地基要穩(wěn)定，但比BEPC地基要差。根據(jù)這一微振動(dòng)測(cè)量結(jié)果為條件進(jìn)行儲(chǔ)存環(huán)束流模擬的結(jié)果顯示，在出光點(diǎn)處，受振動(dòng)影響產(chǎn)生的軌道畸變大于垂直光斑尺寸的50%，離10%以下這一既定目標(biāo)還有一定差距，但可以通過(guò)應(yīng)用軌道快反饋技術(shù)等技術(shù)條件實(shí)現(xiàn)所期望的10%以下目標(biāo)。同時(shí)，專家建議，在加速器地基建設(shè)過(guò)程中，穩(wěn)定的混凝土地基、對(duì)振動(dòng)源的有效控制以及細(xì)節(jié)技術(shù)的仔細(xì)研究都是實(shí)現(xiàn)高能光源設(shè)計(jì)能力的必備條件。
HEPS實(shí)際建設(shè)場(chǎng)地后來(lái)調(diào)整到北京雁棲經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)北端，離初選地址約6 公里，北側(cè)為京密引水渠，東側(cè)為牤牛河，南側(cè)為永樂(lè)大街，西側(cè)為京加路。測(cè)量得到的地質(zhì)條件數(shù)據(jù)與原初選場(chǎng)地類似，經(jīng)過(guò)項(xiàng)目建設(shè)人員的大力攻關(guān)，對(duì)地基進(jìn)行一些創(chuàng)新性特殊處理，有效控制了園區(qū)內(nèi)道路、內(nèi)部振源、外部振源以及地面振動(dòng)的影響，未來(lái)在儲(chǔ)存環(huán)運(yùn)行時(shí)加載快軌道反饋后，可實(shí)現(xiàn)束流位置和角度的抖動(dòng)小于束斑RMS 尺寸10%的實(shí)驗(yàn)用戶需求。
一個(gè)有趣的巧合是，位于玉泉路的BSRF 和位于懷柔的HEPS都坐落于八寶山-黃莊-高麗營(yíng)斷裂帶附近，像一“帶”連接起來(lái)的兩顆明珠。
三、新一代高能光源的強(qiáng)大支撐能力
HEPS 具有世界領(lǐng)先的技術(shù)指標(biāo)，將極大提升對(duì)前沿科學(xué)研究的支撐能力，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
(1)提供能量上限可達(dá)300 keV 的高性能同步輻射X射線，滿足國(guó)家重大需求及工程材料方面的特殊需求;
(2)為衍射實(shí)驗(yàn)提供微米量級(jí)的聚焦光斑，獲得重要但結(jié)晶十分困難的蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)，解決生命科學(xué)研究的瓶頸問(wèn)題;
(3)為譜學(xué)和成像研究提供nm量級(jí)的聚焦光斑，直接觀察納米尺度上的結(jié)構(gòu)變化;
(4)達(dá)到ps 量級(jí)的時(shí)間分辨能力，研究物質(zhì)(生命物質(zhì)和非生命物質(zhì))結(jié)構(gòu)變化的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，為實(shí)現(xiàn)物質(zhì)調(diào)控奠定基礎(chǔ);
(5)超高能量分辨(<1 meV)和動(dòng)量分辨(0.1 nm-1)的譜學(xué)方法為精細(xì)結(jié)構(gòu)研究提供條件;
(6)為開展動(dòng)態(tài)、原位和極端條件下的科學(xué)研究提供了重要的平臺(tái)。
這些支撐能力將會(huì)對(duì)多個(gè)學(xué)科，如分子環(huán)境科學(xué)、極端條件下的科學(xué)研究、納米科技、催化和能源、生命科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展起著重要的推動(dòng)作用。
四、結(jié)語(yǔ)
世界同步輻射光源的發(fā)展歷史，是一部服務(wù)廣大多學(xué)科用戶開展多學(xué)科前沿研究并取得突破性成果的歷史。其最輝煌的篇章是同步輻射X射線蛋白質(zhì)晶體學(xué)方法的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，助力結(jié)構(gòu)生物學(xué)家破解了眾多生命科學(xué)具有關(guān)鍵意義的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，并獲得了5 個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。我國(guó)的同步輻射光源建設(shè)起步較晚，一直處于學(xué)習(xí)、追趕階段，未能幫助中國(guó)的科學(xué)家榮獲諾貝爾獎(jiǎng)。HEPS光源將是首次站上領(lǐng)先位置的中國(guó)同步輻射光源，期待服務(wù)、支撐我國(guó)科技界廣大用戶創(chuàng)造更輝煌的未來(lái)。
2025 年，當(dāng)HEPS 完成建設(shè)并提交用戶正式使用的時(shí)候，我們這些HEPS 的參與者和建設(shè)者可以自豪地對(duì)中國(guó)用戶說(shuō)：“朋友，世界領(lǐng)先的HEPS 光源已經(jīng)建好了，后面就看你們的了。”
