高亮度电子束注入器的应用 高能同步辐射光源注入器建设基本完成，明年底将发出第一束光

高能同步辐射光源注入器建设基本完成，明年底将发出第一束光

北京日报客户端 | 记者 刘苏雅

位于怀柔科学城的高能同步辐射光源，距离发出“最亮的光”越来越近。17日，高能同步辐射光源增强器通过工艺测试和验收，束流能量达到6千兆电子伏特，电荷量达到5纳库以上，各项关键指标均优于设计指标，成功实现电子束升能加速，总体性能达到同类装置国际先进水平。直线加速器、增强器建设接连告捷，标志着高能同步辐射光源注入器建设基本完成，后续将进入储存环的安装调试，预计2024年底将发出第一束光。

今年3月，高能同步辐射光源直线加速器满能量出束，将自由电子从静止加速至500兆电子伏特。高能同步辐射光源调束负责人焦毅介绍，作为加速器承上启下的一环，增强器中的电子束从注入到升能，能量会再增强12倍，最终引出至储存环。在增强器内长约454米的环形跑道上，电子束将跑上几十万圈，每一圈它们都会经过高频腔，在这里，振荡的电场为电子束注入更多能量。步骤听起来繁多，但实际上，整个加速过程用时还不到1秒。

从7月25日增强器启动束流调试至今，科研团队已经奋战了近4个月。“天天都有难点，每天的难点各不相同。”回顾整个调试过程，焦毅感慨道。其中，最大的难点便是要保证高电荷量的电子在升能过程中损失最小。

“电子之间是互斥的，加速器中电子密度越高，电子与电子之间、电子与环境之间的相互作用就越强，我们就越难控制它们。”焦毅说，为了减少电子的损失，科研团队将调试过程进一步细化为5个阶段，每个阶段都设定了更精细的电子束损失率控制指标，经过反复调试，终于达到了设计指标。

完成“升能”的高品质电子束，后续将进入储存环，在旋转奔跑中发出最亮的同步辐射光。目前，高能同步辐射光源的储存环、光束线站正在加紧安装，工程建设有序推进。“储存环的性能就代表着光源的性能，接下来，我们还要啃‘硬骨头’。”焦毅表示，团队计划在未来一年能启动储存环加速器的调试，“预计2024年底，我们将能见到光源的第一束光。”

高能同步辐射光源由国家发改委批复立项，中国科学院高能物理研究所承担建设，建设周期为六年半。建成后，它将是世界上亮度最高的第四代同步辐射光源之一，也将是我国第一台高能量同步辐射光源，将和我国现有的光源形成能区互补，面向航空航天、能源环境、生命医药等领域用户开放。

高能同步辐射光源加速器建设成功 调束进入快行道

记者8月19日从中国科学院高能物理研究所（以下简称高能所）获悉，国家重大科技基础设施——高能同步辐射光源（HEPS）储存环日前成功实现束流存储，束流流强超过10毫安。这标志着HEPS加速器建设成功，进入了调束快行道。

高能同步辐射光源航拍图（2024年8月拍摄）。受访者供图

HEPS可发射比太阳亮度高1万亿倍的光

HEPS是我国“十三五”期间优先建设的国家重大科技基础设施之一，是国家发展改革委批复立项，中国科学院、北京市共建怀柔科学城的核心装置，由中国科学院高能物理研究所承担建设，于2019年6月启动建设，建设周期6.5年。

建成后，HEPS可发射比太阳亮度高1万亿倍的光，将是世界上亮度最高的第四代同步辐射光源之一，也将是中国第一台高能同步辐射光源，使中国继欧、美之后跻身为世界三大第四代高能同步辐射光源所在地之一，将与我国现有的光源形成能区互补，面向航空航天、能源环境、生命医药等领域用户开放。

从空中俯瞰，高能同步辐射光源外形如同一个“放大镜”，寓意“探测微观世界的利器”。其中的“镜框”就是高能同步辐射光源的核心建筑。在这个主体建筑里，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是如何产生同步辐射光的？HEPS加速器部副主任、中国科学院高能物理研究所研究员焦毅介绍了这一过程，位于源头的电子枪产生高品质的电子束，经直线加速器将电子束加速到0.5GeV（千兆电子伏特）的高能量，注入周长450多米的环形增强器，继续提高能量到额定的6GeV。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，以接近光的速度保持环形运动。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，会沿着偏转轨道的切线方向发出电磁辐射，就是高能量、高亮度的同步辐射光。

HEPS如同一个超大号的X光机，利用HEPS产生的同步辐射光，可以更好地“看清”微观世界，揭示物质微观结构生成及演化机制，观察单晶生长、蛋白质分子结构、航空工程材料的结构缺陷及演变等。

高能同步辐射光源储存环隧道内。受访者供图

迎接电子束流调试巨大挑战

目前，HEPS直线加速器、增强器已满能量出束，储存环正在束流调试，光束线站正在加紧设备安装。

其中，储存环是HEPS的核心组成部分，用于储存高能高品质电子束，发射高品质的同步辐射光。HEPS储存环圈内面积超过20个足球场，于今年7月1日完成全部设备研制和安装。设备安装就绪并完成系统联调后，科研人员即开始进行束流调试工作，“就是将增强器中的电子束，注入储存环，使其在半径约11毫米、长度达1360米的储存环真空盒轨道中跑起来，一秒钟跑20多万圈，检验电子束和多种设备的‘磨合’情况。”焦毅说。

据HEPS工程总指挥、高能所研究员潘卫民介绍，调束初期，储存环就有1776块磁铁、2500余台电源、578个电子束流位置探测器、1360米真空室、3个高频腔、2台脉冲冲击器和切割磁铁，控制信号超过10万路，任何一个微小的硬件错误，例如一个硬阻拦或设备安装错位，都会影响电子束的轨迹。

另外，HEPS有注入和引出两块切割磁铁，以光速飞奔的电子束需要一次次穿过两台切割磁铁处约2毫米的物理孔径，这无疑是一个巨大的挑战。

“如果管道安装过程中有一小块铝箔，束流走到那里就丢失了。如果再把管道拆开，不仅工作量大，建设时间也会更长。”1360米的储存环的束流通道中是否有“硬阻拦” ？输运线、储存环的上千块磁铁有没有极性接反的情况？面对这些不确定性，科研人员预先对几种异常情况作了预案，并基于增强器束流开展了相关实验。

储存环调束团队正在紧张工作。受访者供图

调束团队24小时工作，没走一点弯路

7月23日中午，HEPS储存环正式开机调束。当天15时10分，储存环实现首次注入；19时50分，储存环实现首圈贯通。这意味着，储存环没有任何一个大的硬阻拦，而且磁铁准直工作做得非常好。“国际很多先进实验室的加速器都遇到过硬阻拦的情况，我们本来预计这项工作会在一周完成，没想到只用了几个小时。当天电子束流每向前一段，大家就鼓掌。我们有一点幸运，更重要的是前期设备安装和调试是非常仔细和扎实的。”焦毅说。

开机以来，他带领平均年龄仅34岁的调束团队，每天24小时不间断地进行调束。调束初期有很多实际困难，比如束流电荷量低，衰减快，导致实际可用的监测手段及精度受限等。这些难题都被团队一一解决。

好消息接连传来。8月6日凌晨，HEPS储存环首次成功实现单束团束流存储，流强约60微安，寿命超过1分钟。随后，科研人员启动多束团注入调试。他们通过多种手段，持续提升存储流强和束流寿命。直至8月18日，储存环成功存储35个束团，流强达到12毫安。“打个不一定特别恰当的比方就是，1000多米的储存环有700多个‘小屋’，如果大部分‘小屋’都有‘住户’，能达到的流强是100-200毫安。现在只入住了35个‘住户’，对应的流强是十几毫安。”

潘卫民说，“储存环成功实现束流存储是一项重大进展，这表明我们前期的设备安装、调试非常成功，也标志着HEPS光源进入了一个新的阶段。”

在20多天的调束时间里，HEPS科学技术委员会主任、储存环调束总顾问、中国工程院院士陈森玉多次住在怀柔，亲自参加调束。曾主持建成北京正负电子对撞机储存环的他说，这次HEPS调束任务异常艰巨，但调束团队在很短的时间内就取得了很好的成果，“可以说几乎没有走一点弯路，表现出色”。

新京报记者 张璐

编辑 张牵 校对 刘军

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