什么是“高能同步輻射光源”
我們通常稱能發光的物體是光源，而同步輻射光源發出的是看不見的 X 光，可以理解為一臺巨型的 X 光機。
在物質的微觀結構中，原子和分子的距離正好落在 X 射線的波長范圍內，所以物質對 X 射線的散射、衍射和吸收等等能夠傳遞極為豐富的微觀結構信息，因此，X 射線被視為探測物質微觀結構的理想探針。
我們比較常見的產生X射線裝置有兩種：一種是用高能電子轟擊金屬 ，電子在打進金屬的過程中急劇減速，減速的帶電粒子或者激發的金屬原子會輻射電磁波，如果電子能量很大，比如上萬電子伏，就可以產生X射線。這是目前實驗室和工廠、醫院等地方用的產生X射線的方法，但產生的 X 射線能量單一，亮度較弱。
第二種就是同步輻射裝置 。上個世紀初，科學家預測真空中接近光速運動的電子在磁場中作曲線運動時，由于洛倫茲力所施加的向心加速度的存在，電子也會沿著彎轉軌道切線方向發射連續的電磁輻射(也就是 X 光);隨后的1947年，美國通用電氣公司的一名工人在調試70兆電子伏(MeV)的電子同步加速器時意外觀察到了這種電磁輻射，由于是在同步加速器上第一次看到這種電磁輻射，因此也就稱之為“同步加速器輻射”，簡稱“同步輻射”。
X 射線作為探測物質結構的探針，其亮度是最為關鍵的指標。更高的亮度意味著可以在空間、能量、時間等維度上獲得更好的分辨能力，同時實驗的效率更高。常規實驗室用 X 光機是180度發光，它的亮度數量級大概是107～109 。
但由于 X 光機的 X 射線分散在各個方向上，而各種實驗往往只在一個方向上進行，由于 X 光機的 X 射線分散在很大角度范圍內，在實驗所需要的固定方向上亮度不夠 。而同步輻射光源發光角度只有幾個角秒(1度=3600角秒)，X 射線集中在這樣小的角度發出來，它的亮度數量級就可以提升到1022 ，甚至以上。第三代同步輻射光源的 X 射線亮度是 X 光機的百億到十萬億倍 ，第四代同步輻射光源又比第三代提高100～1000倍 。
迄今為止，世界上約70% 的已知生物大分子結構都是借助同步輻射光了解的。在所有與微觀結構有關的領域，如物理學、化學、生命科學和醫學、材料科學和工程、能源科學和技術、地球和環境科學、納米科技等，同步輻射光源都有非常廣泛的應用，它是理想的多學科交叉研究平臺。
高能同步輻射光源(HEPS)介紹
中國第一臺高能量同步輻射光源—— HEPS （全稱 High Energy Photon Source） 占地面積976畝，建筑面積達12.5萬平米。項目于2019年6月啟動建設，建設周期6.5年，預計2025年12月建成。
HEPS 建設內容主要包括加速器、光束線站和配套設施 ，主體建筑里分布著電子注入器(直線加速器+增強器)、電子儲存環、光束線站等。
▲ HEPS加速器布局圖
工作時，位于源頭的電子槍產生高品質的電子束，在真空條件下 經直線加速器將電子束加速到 0.5 GeV 的高能量，注入周長454米的環形增強器，繼續提高能量到額定的 6 GeV。此時的電子束無限接近光速，然后被注入至更大的圓環——周長1360米的儲存環，以接近光速的速度保持運動。在儲存環上的不同位置，電子束通過彎轉磁鐵或者各種插入件時，會沿著偏轉軌道切線方向釋放出穩定而且高能量、高亮度的光——同步輻射光 。
據悉，HEPS 建成后將是世界上亮度最高的第四代同步輻射光源之一，與正在運行的美國先進光子源(APS)、歐洲同步輻射裝置(ESRF)、日本 SPring-8、德國的 PETRA-III 一起，構成世界五大高能量同步輻射光源 。
▲ ①美國先進光子源(APS)，電子能量7GeV;②歐洲同步輻射裝置(ESRF)，電子能量6GeV;③日本SPring-8，電子能量8GeV
▲ 世界5大高能同步輻射光源分布
▲ 第四代同步輻射光源采用多彎鐵消色散結構，具有高能量、高亮度、高相干、納米聚焦的特點，上圖由三代光源線光斑(左)更新為四代光源點光斑(右)
HEPS 建成后將通過對微觀結構多維度、實時、原位表征，解析物質結構生成及其演化的全周期全過程。揭示微觀物質結構生成演化的機制，剖析微觀物質構成，為物質調控提供基礎支撐。
HEPS 的工程目標是建設國際領先的高能同步輻射光源，儲存環能量達 6 GeV ，亮度達到1×1022 phs/s/mm2/mrad2/0.1%BW ，發射度優于 0.06 nm·rad ，高性能光束線站容量不少于90個 ，可提供能量達 300 keV 的 X 射線。設施空間分辨能力達到 10 nm 量級，具備單個納米顆粒探測能力;能量分辨能力達到 1 meV 量級;時間分辨達到 ps 量級，具備高重復頻率的動態探測能力。
▲ HEPS 主要指標
▲ HEPS 項目總體進展時間線
▲ 2023年11月，HEPS增強器束流能量達到 6 GeV，電荷量達到 5 nC以上，成功實現電子束升能加速
▲ HEPS 儲存環束流狀態圖：8月18日，儲存環束流流強達到12毫安
高能同步輻射光源的真空系統
同步輻射光源的加速器、增強器、儲存環等各個部分都需要配備真空系統 ，真空系統的主要功能是提供良好的真空環境，保證束流有足夠壽命和穩定性，同時有效分散高能粒子彎轉時產生的同步輻射光功率 。不同的加速器其原理雖有不同，但真空都是必不可少的，它們所需的真空度(10-4~10-10Pa不等 )則取決于加速粒子運動路徑的長短和具體裝置的要求。
1 注入器真空系統
HEPS 注入器包括了直線加速器、輸運線(3條)和增強器。
? 直線和低能輸運線真空系統布局
直線和低能輸運線通過8個區段閥分成8個真空區段，其中有電子槍、聚束單元、加速結構、分析磁鐵節等。內部的真空盒和波紋管材料均為不銹鋼，共103件。分布了60臺離子真空泵和30個冷陰極真空規。
▲ 直線和低能輸運線真空系統
? 增強器真空系統布局
通過帶 RF 屏蔽的全金屬閘板閥把增強器分成14個區段，同時每個高頻腔兩端配有閥門，共需26個閥門，其中包括低能注入區、高能引出區和回注區、高頻腔區等。
增強器段總計需要407個真空盒 ，共有83種規格;其中真空獲得設備為干式真空泵、分子真空泵、離子真空泵和吸氣劑泵;真空測量設備主要有冷陰極真空計和殘余氣體分析儀。
▲ HEPS 增強器隧道
? 增強器真空盒設計
增強器所使用的橢圓真空盒壁厚僅為 0.7 mm，橢圓無基準面且薄壁易變形給研制工作帶來挑戰。中國科學院高能物理研究所制備了冷撥薄壁橢圓管，通過激光焊接及熱處理工藝加工，鉗工整形后進行真空檢漏與調試，最終成品的磁導率≤1.02, 垂直度≤0.1mm, 直線度≤0.2mm。
▲ 增強器真空盒制備工藝流程
▲ 橢圓真空盒設計圖局部
? RF屏蔽波紋管設計
RF 屏蔽波紋管的主要功能是用于補償真空盒的熱脹冷縮，并且由于安裝和準直的要求，它可以調整真空盒的橫向、縱向和角偏移，它還可以在兩個相鄰的真空盒之間提供連續的 RF 屏蔽，以減小整個束流管道的阻抗。
▲ 增強器RF屏蔽波紋管研制
? HEPS 高能輸運線真空系統布局
高能輸運線(BR&RB)由2條約105m長的傳輸線和1條約18m長的廢束線組成，每條線真空分為5個區段，共有離子真空泵54臺 、冷陰極真空規15個 、閘板閥6臺。其中 BR 線真空盒126根、RB 線真空盒129根、DUMP 線真空盒12根，波紋管共計124件。
▲ HEPS 高能輸運線示意圖
2 儲存環真空系統
HEPS 儲存環周長為1360.4m，采用24個雙 7BA 單元消色散 Lattice 設計。在48個標準單元中長直線節位于開始，并且主要用來安裝插入件、注入引出、高頻等設備。
在長直線節的二端安裝 RF 屏蔽全金屬閘板閥，共分成101個真空區段。每個標準弧區單元包括18根真空盒、14套 RF 屏蔽波紋管、4個光子吸收器，還有多個離子真空泵、吸氣劑泵、真空規和真空閥門 。
▲ HEPS 儲存環真空系統
? 儲存環真空盒設計
儲存環真空盒的設計既要考慮到束流清晰區和全環阻抗預算的要求，又要滿足真空度的要求及磁鐵孔徑的限制，同時還要控制好同步輻射功率的分布。
由于鉻鋯銅有高的熱導性和電導性，并且在200℃ 的 NEG 激活溫度下可以保持高的強度，因此 HEPS 儲存環選用 Cu-Cr-Zr（C18150） 做為主要真空盒的材料。縱向梯度二極鐵(BLG1/4/5)真空盒和 VC04 多通真空盒采用 316LN 不銹鋼 材料，主要目的是根據不銹鋼容易加工和焊接的特點制造成多接口結構，以便在真空盒上可利用空間安裝真空泵、真空規和光子吸收器等。
▲ 由上至下分別為：儲存環 VC14(BLG4+QF4)真空盒、儲存環鉻鋯銅真空盒、儲存環 CrZrCu & INCONEL 真空盒、真空外插入件真空盒、IAU(In Air Undulator)插入件真空盒
儲存環束流管內徑22mm，壁厚1mm，磁極與真空盒間隙僅為1mm，其中加熱薄膜就占0.4mm厚度，因此需要儲存環真空盒有非常高的加工精度。儲存環真空盒的焊接涵蓋了激光焊、電子束焊、氬弧焊 等多種方式，完成加工后進行尺寸檢測與真空調試。
▲ CPMU+Wiggler+Mango Wiggler 直線節構造圖
? 光子吸收器
光子吸收器(ABS)的主要功能是阻擋束流通過二極鐵和插入件磁鐵而發射的同步光，避免同步光照在波紋管、真空盒上和法蘭連接處。同步輻射光通過束流管與前室真空室之間的縫隙引出，并且打在位于前室真空室的光子吸收器上。光子吸收器上的開孔可以將同步光傳輸到光束線站。
彎轉磁鐵產生的同步輻射功率約有41~48%集中沉積到光子吸收器上。每個單元弧區設置了4個光子吸收器，其中3個位于同步輻射光引出岔口，用于引出光束線。
▲ 光子吸收器及彎轉磁鐵位置
? 真空盒內壁鍍非蒸散型吸氣劑（NEG）膜
HEPS 極低發射度儲存環采用緊湊型磁聚焦結構設計和小孔徑磁鐵導致了真空盒尺寸的減小，這嚴重限制真空盒的流導，使得真空泵的有效抽速得不到發揮。
為了提高真空系統的抽氣效率，減小真空泵所占用空間，需要在真空盒內表面鍍一層 Ti-Zr-V 吸氣劑膜，由它來取代傳統集中式真空泵。
▲ 不同類型真空盒總數量(918根)占比(左)及不同類型真空盒總長(1200米)占比(右)
在真空盒內壁鍍 NEG 吸氣薄膜制備過程中，主要面臨的技術難點有：Ti-Zr-V 磁控濺射陰極制備 、陰極在真空盒中安裝、固定、絕緣和密封、鍍工藝參數的確定及吸氣劑膜的性能測試和激活試驗等。
▲ NEG 吸氣薄膜的主要技術參數與指標
為此，中國科學院高能物理研究所建立了3套 鍍膜裝置 。研究人員通過螺線管分段加磁場、提高端部螺線管磁場強度、調整放電參數等方法，解決了在1.2m長前室真空盒的6mm狹縫中完整鍍膜的國際難題，完成了儲存環918根，總長約1200米的真空盒鍍膜。
▲ 真空盒批量鍍膜裝置
▲ 批量鍍膜測試結果
3 真空系統運行狀態
? 儲存環1個標準弧區在線安裝所需的真空設備
● 真空盒18+6根
● 屏蔽波紋管14套
● 光子吸收器6個
● 離子真空泵16臺
● NEG 泵3臺
● 真空規4個
● 殘余氣體分析儀1臺
● 全金屬閘板閥4臺
● 全金屬角閥2個
● 引光線接頭和波紋管8個
● 各種型號真空屏蔽密封墊圈和螺栓
? 儲存環弧區烘烤激活標準流程
? 儲存環動態真空
全環Pv：1.2×10-6 Pa @ 28mA，6GeV，5A·hr。SIP01-SIP14 離子真空泵分布在束流線上，SIP15 在光束線上，抽速 25-30 L/s。
儲存環標準弧區單元動態壓力分布計算：經過200 A·hr 束流清洗后，光子解吸系數可達2×10-6(molecules/photon)，一個標準弧區單元動態氣裁約為1.7×10-7 Pa·m3/s，動態真空小于2×10-7 Pa 。
總 結
高能同步輻射光源的真空系統在中國科學院高能物理研究所科研工作者的共同努力下，如今已
● 完成了注入器真空系統的安裝調試，真空達到 10-7~10-8 Pa范圍;
● 完成了儲存環非標真空部件的加工和驗收：532件不銹鋼真空盒，1019根鉻鋯銅真空盒，934套 RF 屏蔽波紋管和288件光子吸收器;
● 建立了3套鍍膜裝置，完成儲存環918根，總長約1200米真空盒鍍膜。
另外，儲存環真空系統已于2023年11月開始正式安裝，僅用9個月時間完成儲存環束流線1360m和引光線300m真空設備安裝、檢漏、烘烤和吸氣劑膜激活，平均靜態真空達到設計指標。
目前，HEPS 加速器進入調束階段，最高流強達到 40 mA，積分流強約 10 A·hr，真空系統運行穩定。
