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。

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。

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。

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