高能同步輻射光源加速器建設成功 調束進入快行道
記者8月19日從中國科學院高能物理研究所(以下簡稱高能所)獲悉,國家重大科技基礎設施——高能同步輻射光源(HEPS)儲存環日前成功實現束流存儲,束流流強超過10毫安。這標誌著HEPS加速器建設成功,進入了調束快行道。
![高能同步輻射光源航拍圖(2024年8月拍攝)。受訪者供圖](http://n.sinaimg.cn/sinakd20240820s/515/w1269h846/20240820/eebd-2ece59ed3c10ba63f253416fd54d5fa0.jpg)
HEPS可發射比太陽亮度高1萬億倍的光
HEPS是我國「十三五」期間優先建設的國家重大科技基礎設施之一,是國家發展改革委批複立項,中國科學院、北京市共建懷柔科學城的核心裝置,由中國科學院高能物理研究所承擔建設,於2019年6月啟動建設,建設週期6.5年。
建成後,HEPS可發射比太陽亮度高1萬億倍的光,將是世界上亮度最高的第四代同步輻射光源之一,也將是中國第一台高能同步輻射光源,使中國繼歐、美之後躋身為世界三大第四代高能同步輻射光源所在地之一,將與我國現有的光源形成能區互補,面向航空航天、能源環境、生命醫藥等領域用戶開放。
從空中俯瞰,高能同步輻射光源外形如同一個「放大鏡」,寓意「探測微觀世界的利器」。其中的「鏡框」就是高能同步輻射光源的核心建築。在這個主體建築里,分佈著電子注入器(直線加速器+增強器)、電子儲存環、光束線站等。
HEPS是如何產生同步輻射光的?HEPS加速器部副主任、中國科學院高能物理研究所研究員焦毅介紹了這一過程,位於源頭的電子槍產生高品質的電子束,經直線加速器將電子束加速到0.5GeV(千兆電子伏特)的高能量,注入周長450多米的環形增強器,繼續提高能量到額定的6GeV。此時的電子束無限接近光速,然後被注入至更大的圓環——周長1360米的儲存環,以接近光的速度保持環形運動。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,會沿著偏轉軌道的切線方向發出電磁輻射,就是高能量、高亮度的同步輻射光。
HEPS如同一個超大號的X光機,利用HEPS產生的同步輻射光,可以更好地「看清」微觀世界,揭示物質微觀結構生成及演化機制,觀察單晶生長、蛋白質分子結構、航空工程材料的結構缺陷及演變等。
![高能同步輻射光源儲存環隧道內。受訪者供圖](http://n.sinaimg.cn/sinakd20240820s/382/w1269h713/20240820/58e7-7b0e9dd5142ec986d02232be3465bdc6.jpg)
迎接電子束流調試巨大挑戰
目前,HEPS直線加速器、增強器已滿能量出束,儲存環正在束流調試,光束線站正在加緊設備安裝。
其中,儲存環是HEPS的核心組成部分,用於儲存高能高品質電子束,發射高品質的同步輻射光。HEPS儲存環圈內面積超過20個足球場,於今年7月1日完成全部設備研製和安裝。設備安裝就緒並完成系統聯調後,科研人員即開始進行束流調試工作,「就是將增強器中的電子束,注入儲存環,使其在半徑約11毫米、長度達1360米的儲存環真空盒軌道中跑起來,一秒鍾跑20多萬圈,檢驗電子束和多種設備的‘磨合’情況。」焦毅說。
據HEPS工程總指揮、高能所研究員潘衛民介紹,調束初期,儲存環就有1776塊磁鐵、2500餘台電源、578個電子束流位置探測器、1360米真空室、3個高頻腔、2台脈衝衝擊器和切割磁鐵,控制信號超過10萬路,任何一個微小的硬件錯誤,例如一個硬阻攔或設備安裝錯位,都會影響電子束的軌跡。
另外,HEPS有注入和引出兩塊切割磁鐵,以光速飛奔的電子束需要一次次穿過兩台切割磁鐵處約2毫米的物理孔徑,這無疑是一個巨大的挑戰。
「如果管道安裝過程中有一小塊鋁箔,束流走到那裡就丟失了。如果再把管道拆開,不僅工作量大,建設時間也會更長。」1360米的儲存環的束流通道中是否有「硬阻攔」 ?輸運線、儲存環的上千塊磁鐵有沒有極性接反的情況?面對這些不確定性,科研人員預先對幾種異常情況作了預案,並基於增強器束流開展了相關實驗。
![儲存環調束團隊正在緊張工作。受訪者供圖](http://n.sinaimg.cn/sinakd20240820s/383/w1269h714/20240820/dc19-1990e06d7d8b02d7cbf9a36a7bc0ef41.jpg)
調束團隊24小時工作,沒走一點彎路
7月23日中午,HEPS儲存環正式開機調束。當天15時10分,儲存環實現首次注入;19時50分,儲存環實現首圈貫通。這意味著,儲存環沒有任何一個大的硬阻攔,而且磁鐵準直工作做得非常好。「國際很多先進實驗室的加速器都遇到過硬阻攔的情況,我們本來預計這項工作會在一週完成,沒想到只用了幾個小時。當天電子束流每向前一段,大家就鼓掌。我們有一點幸運,更重要的是前期設備安裝和調試是非常仔細和紮實的。」焦毅說。
開機以來,他帶領平均年齡僅34歲的調束團隊,每天24小時不間斷地進行調束。調束初期有很多實際困難,比如束流電荷量低,衰減快,導致實際可用的監測手段及精度受限等。這些難題都被團隊一一解決。
好消息接連傳來。8月6日淩晨,HEPS儲存環首次成功實現單束團束流存儲,流強約60微安,壽命超過1分鐘。隨後,科研人員啟動多束團注入調試。他們通過多種手段,持續提升存儲流強和束流壽命。直至8月18日,儲存環成功存儲35個束團,流強達到12毫安。「打個不一定特別恰當的比方就是,1000多米的儲存環有700多個‘小屋’,如果大部分‘小屋’都有‘住戶’,能達到的流強是100-200毫安。現在只入住了35個‘住戶’,對應的流強是十幾毫安。」
潘衛民說,「儲存環成功實現束流存儲是一項重大進展,這表明我們前期的設備安裝、調試非常成功,也標誌著HEPS光源進入了一個新的階段。」
在20多天的調束時間里,HEPS科學技術委員會主任、儲存環調束總顧問、中國工程院院士陳森玉多次住在懷柔,親自參加調束。曾主持建成北京正負電子對撞機儲存環的他說,這次HEPS調束任務異常艱巨,但調束團隊在很短的時間內就取得了很好的成果,「可以說幾乎沒有走一點彎路,表現出色」。
新京報記者 張璐
編輯 張牽 校對 劉軍