什么是“高能同步辐射光源”
我们通常称能发光的物体是光源，而同步辐射光源发出的是看不见的 X 光，可以理解为一台巨型的 X 光机。
在物质的微观结构中，原子和分子的距离正好落在 X 射线的波长范围内，所以物质对 X 射线的散射、衍射和吸收等等能够传递极为丰富的微观结构信息，因此，X 射线被视为探测物质微观结构的理想探针。
我们比较常见的产生X射线装置有两种：一种是用高能电子轰击金属 ，电子在打进金属的过程中急剧减速，减速的带电粒子或者激发的金属原子会辐射电磁波，如果电子能量很大，比如上万电子伏，就可以产生X射线。这是目前实验室和工厂、医院等地方用的产生X射线的方法，但产生的 X 射线能量单一，亮度较弱。
第二种就是同步辐射装置 。上个世纪初，科学家预测真空中接近光速运动的电子在磁场中作曲线运动时，由于洛伦兹力所施加的向心加速度的存在，电子也会沿着弯转轨道切线方向发射连续的电磁辐射(也就是 X 光);随后的1947年，美国通用电气公司的一名工人在调试70兆电子伏(MeV)的电子同步加速器时意外观察到了这种电磁辐射，由于是在同步加速器上第一次看到这种电磁辐射，因此也就称之为“同步加速器辐射”，简称“同步辐射”。
X 射线作为探测物质结构的探针，其亮度是最为关键的指标。更高的亮度意味着可以在空间、能量、时间等维度上获得更好的分辨能力，同时实验的效率更高。常规实验室用 X 光机是180度发光，它的亮度数量级大概是107～109 。
但由于 X 光机的 X 射线分散在各个方向上，而各种实验往往只在一个方向上进行，由于 X 光机的 X 射线分散在很大角度范围内，在实验所需要的固定方向上亮度不够 。而同步辐射光源发光角度只有几个角秒(1度=3600角秒)，X 射线集中在这样小的角度发出来，它的亮度数量级就可以提升到1022 ，甚至以上。第三代同步辐射光源的 X 射线亮度是 X 光机的百亿到十万亿倍 ，第四代同步辐射光源又比第三代提高100～1000倍 。
迄今为止，世界上约70% 的已知生物大分子结构都是借助同步辐射光了解的。在所有与微观结构有关的领域，如物理学、化学、生命科学和医学、材料科学和工程、能源科学和技术、地球和环境科学、纳米科技等，同步辐射光源都有非常广泛的应用，它是理想的多学科交叉研究平台。
高能同步辐射光源(HEPS)介绍
中国第一台高能量同步辐射光源—— HEPS （全称 High Energy Photon Source） 占地面积976亩，建筑面积达12.5万平米。项目于2019年6月启动建设，建设周期6.5年，预计2025年12月建成。
HEPS 建设内容主要包括加速器、光束线站和配套设施 ，主体建筑里分布着电子注入器(直线加速器+增强器)、电子储存环、光束线站等。
▲ HEPS加速器布局图
工作时，位于源头的电子枪产生高品质的电子束，在真空条件下 经直线加速器将电子束加速到 0.5 GeV 的高能量，注入周长454米的环形增强器，继续提高能量到额定的 6 GeV。此时的电子束无限接近光速，然后被注入至更大的圆环——周长1360米的储存环，以接近光速的速度保持运动。在储存环上的不同位置，电子束通过弯转磁铁或者各种插入件时，会沿着偏转轨道切线方向释放出稳定而且高能量、高亮度的光——同步辐射光 。
据悉，HEPS 建成后将是世界上亮度最高的第四代同步辐射光源之一，与正在运行的美国先进光子源(APS)、欧洲同步辐射装置(ESRF)、日本 SPring-8、德国的 PETRA-III 一起，构成世界五大高能量同步辐射光源 。
▲ ①美国先进光子源(APS)，电子能量7GeV;②欧洲同步辐射装置(ESRF)，电子能量6GeV;③日本SPring-8，电子能量8GeV
▲ 世界5大高能同步辐射光源分布
▲ 第四代同步辐射光源采用多弯铁消色散结构，具有高能量、高亮度、高相干、纳米聚焦的特点，上图由三代光源线光斑(左)更新为四代光源点光斑(右)
HEPS 建成后将通过对微观结构多维度、实时、原位表征，解析物质结构生成及其演化的全周期全过程。揭示微观物质结构生成演化的机制，剖析微观物质构成，为物质调控提供基础支撑。
HEPS 的工程目标是建设国际领先的高能同步辐射光源，储存环能量达 6 GeV ，亮度达到1×1022 phs/s/mm2/mrad2/0.1%BW ，发射度优于 0.06 nm·rad ，高性能光束线站容量不少于90个 ，可提供能量达 300 keV 的 X 射线。设施空间分辨能力达到 10 nm 量级，具备单个纳米颗粒探测能力;能量分辨能力达到 1 meV 量级;时间分辨达到 ps 量级，具备高重复频率的动态探测能力。
▲ HEPS 主要指标
▲ HEPS 项目总体进展时间线
▲ 2023年11月，HEPS增强器束流能量达到 6 GeV，电荷量达到 5 nC以上，成功实现电子束升能加速
▲ HEPS 储存环束流状态图：8月18日，储存环束流流强达到12毫安
高能同步辐射光源的真空系统
同步辐射光源的加速器、增强器、储存环等各个部分都需要配备真空系统 ，真空系统的主要功能是提供良好的真空环境，保证束流有足够寿命和稳定性，同时有效分散高能粒子弯转时产生的同步辐射光功率 。不同的加速器其原理虽有不同，但真空都是必不可少的，它们所需的真空度(10-4~10-10Pa不等 )则取决于加速粒子运动路径的长短和具体装置的要求。
1 注入器真空系统
HEPS 注入器包括了直线加速器、输运线(3条)和增强器。
❶ 直线和低能输运线真空系统布局
直线和低能输运线通过8个区段阀分成8个真空区段，其中有电子枪、聚束单元、加速结构、分析磁铁节等。内部的真空盒和波纹管材料均为不锈钢，共103件。分布了60台离子真空泵和30个冷阴极真空规。
▲ 直线和低能输运线真空系统
❷ 增强器真空系统布局
通过带 RF 屏蔽的全金属闸板阀把增强器分成14个区段，同时每个高频腔两端配有阀门，共需26个阀门，其中包括低能注入区、高能引出区和回注区、高频腔区等。
增强器段总计需要407个真空盒 ，共有83种规格;其中真空获得设备为干式真空泵、分子真空泵、离子真空泵和吸气剂泵;真空测量设备主要有冷阴极真空计和残余气体分析仪。
▲ HEPS 增强器隧道
❸ 增强器真空盒设计
增强器所使用的椭圆真空盒壁厚仅为 0.7 mm，椭圆无基准面且薄壁易变形给研制工作带来挑战。中国科学院高能物理研究所制备了冷拨薄壁椭圆管，通过激光焊接及热处理工艺加工，钳工整形后进行真空检漏与调试，最终成品的磁导率≤1.02, 垂直度≤0.1mm, 直线度≤0.2mm。
▲ 增强器真空盒制备工艺流程
▲ 椭圆真空盒设计图局部
❹ RF屏蔽波纹管设计
RF 屏蔽波纹管的主要功能是用于补偿真空盒的热胀冷缩，并且由于安装和准直的要求，它可以调整真空盒的横向、纵向和角偏移，它还可以在两个相邻的真空盒之间提供连续的 RF 屏蔽，以减小整个束流管道的阻抗。
▲ 增强器RF屏蔽波纹管研制
❺ HEPS 高能输运线真空系统布局
高能输运线(BR&RB)由2条约105m长的传输线和1条约18m长的废束线组成，每条线真空分为5个区段，共有离子真空泵54台 、冷阴极真空规15个 、闸板阀6台。其中 BR 线真空盒126根、RB 线真空盒129根、DUMP 线真空盒12根，波纹管共计124件。
▲ HEPS 高能输运线示意图
2 储存环真空系统
HEPS 储存环周长为1360.4m，采用24个双 7BA 单元消色散 Lattice 设计。在48个标准单元中长直线节位于开始，并且主要用来安装插入件、注入引出、高频等设备。
在长直线节的二端安装 RF 屏蔽全金属闸板阀，共分成101个真空区段。每个标准弧区单元包括18根真空盒、14套 RF 屏蔽波纹管、4个光子吸收器，还有多个离子真空泵、吸气剂泵、真空规和真空阀门 。
▲ HEPS 储存环真空系统
❶ 储存环真空盒设计
储存环真空盒的设计既要考虑到束流清晰区和全环阻抗预算的要求，又要满足真空度的要求及磁铁孔径的限制，同时还要控制好同步辐射功率的分布。
由于铬锆铜有高的热导性和电导性，并且在200℃ 的 NEG 激活温度下可以保持高的强度，因此 HEPS 储存环选用 Cu-Cr-Zr（C18150） 做为主要真空盒的材料。纵向梯度二极铁(BLG1/4/5)真空盒和 VC04 多通真空盒采用 316LN 不锈钢 材料，主要目的是根据不锈钢容易加工和焊接的特点制造成多接口结构，以便在真空盒上可利用空间安装真空泵、真空规和光子吸收器等。
▲ 由上至下分别为：储存环 VC14(BLG4+QF4)真空盒、储存环铬锆铜真空盒、储存环 CrZrCu & INCONEL 真空盒、真空外插入件真空盒、IAU(In Air Undulator)插入件真空盒
储存环束流管内径22mm，壁厚1mm，磁极与真空盒间隙仅为1mm，其中加热薄膜就占0.4mm厚度，因此需要储存环真空盒有非常高的加工精度。储存环真空盒的焊接涵盖了激光焊、电子束焊、氩弧焊 等多种方式，完成加工后进行尺寸检测与真空调试。
▲ CPMU+Wiggler+Mango Wiggler 直线节构造图
❷ 光子吸收器
光子吸收器(ABS)的主要功能是阻挡束流通过二极铁和插入件磁铁而发射的同步光，避免同步光照在波纹管、真空盒上和法兰连接处。同步辐射光通过束流管与前室真空室之间的缝隙引出，并且打在位于前室真空室的光子吸收器上。光子吸收器上的开孔可以将同步光传输到光束线站。
弯转磁铁产生的同步辐射功率约有41~48%集中沉积到光子吸收器上。每个单元弧区设置了4个光子吸收器，其中3个位于同步辐射光引出岔口，用于引出光束线。
▲ 光子吸收器及弯转磁铁位置
❸ 真空盒内壁镀非蒸散型吸气剂（NEG）膜
HEPS 极低发射度储存环采用紧凑型磁聚焦结构设计和小孔径磁铁导致了真空盒尺寸的减小，这严重限制真空盒的流导，使得真空泵的有效抽速得不到发挥。
为了提高真空系统的抽气效率，减小真空泵所占用空间，需要在真空盒内表面镀一层 Ti-Zr-V 吸气剂膜，由它来取代传统集中式真空泵。
▲ 不同类型真空盒总数量(918根)占比(左)及不同类型真空盒总长(1200米)占比(右)
在真空盒内壁镀 NEG 吸气薄膜制备过程中，主要面临的技术难点有：Ti-Zr-V 磁控溅射阴极制备 、阴极在真空盒中安装、固定、绝缘和密封、镀工艺参数的确定及吸气剂膜的性能测试和激活试验等。
▲ NEG 吸气薄膜的主要技术参数与指标
为此，中国科学院高能物理研究所建立了3套 镀膜装置 。研究人员通过螺线管分段加磁场、提高端部螺线管磁场强度、调整放电参数等方法，解决了在1.2m长前室真空盒的6mm狭缝中完整镀膜的国际难题，完成了储存环918根，总长约1200米的真空盒镀膜。
▲ 真空盒批量镀膜装置
▲ 批量镀膜测试结果
3 真空系统运行状态
❶ 储存环1个标准弧区在线安装所需的真空设备
● 真空盒18+6根
● 屏蔽波纹管14套
● 光子吸收器6个
● 离子真空泵16台
● NEG 泵3台
● 真空规4个
● 残余气体分析仪1台
● 全金属闸板阀4台
● 全金属角阀2个
● 引光线接头和波纹管8个
● 各种型号真空屏蔽密封垫圈和螺栓
❷ 储存环弧区烘烤激活标准流程
❸ 储存环动态真空
全环Pv：1.2×10-6 Pa @ 28mA，6GeV，5A·hr。SIP01-SIP14 离子真空泵分布在束流线上，SIP15 在光束线上，抽速 25-30 L/s。
储存环标准弧区单元动态压力分布计算：经过200 A·hr 束流清洗后，光子解吸系数可达2×10-6(molecules/photon)，一个标准弧区单元动态气裁约为1.7×10-7 Pa·m3/s，动态真空小于2×10-7 Pa 。
总 结
高能同步辐射光源的真空系统在中国科学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统的安装调试，真空达到 10-7~10-8 Pa范围;
● 完成了储存环非标真空部件的加工和验收：532件不锈钢真空盒，1019根铬锆铜真空盒，934套 RF 屏蔽波纹管和288件光子吸收器;
● 建立了3套镀膜装置，完成储存环918根，总长约1200米真空盒镀膜。
另外，储存环真空系统已于2023年11月开始正式安装，仅用9个月时间完成储存环束流线1360m和引光线300m真空设备安装、检漏、烘烤和吸气剂膜激活，平均静态真空达到设计指标。
目前，HEPS 加速器进入调束阶段，最高流强达到 40 mA，积分流强约 10 A·hr，真空系统运行稳定。
