大国重器！HEPS 高能同步辐射光源及真空系统全解

摘要：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。

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。