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高能同步辐射光源增强器创造多项世界之最

2024-01-17 08:41     来源:中国科学院高能物理研究所     高能同步辐射光源
国家重大科技基础设施高能同步辐射光源(HEPS,图1)增强器已经出束,并通过工艺验收,多项关键参数优于设计指标(主要运行参数,图 2),机器总体性能达到世界先进水平。同时,也创造多项中国和世界之最。

图 1 高能同步辐射光源鸟瞰图

图 2 HEPS增强器实时运行参数

中国能量最高的电子加速器

我国目前运行的电子加速器包括合肥光源(HLS)的直线加速器和储存环,均为0.8吉电子伏特(即0.8×10^9电子伏特);北京正负电子对撞机(BEPCII)的直线加速器和储存环,目前均运行在1.89吉电子伏特;台湾光源(TLS)的储存环,运行能量为1.5吉电子伏特;台湾光子源(TPS)的增强器和储存环,运行能量为3吉电子伏特;以及上海光源(SSRF)的增强器和储存环,最高可运行在3.5吉电子伏特;等等。HEPS增强器的引出能量高达6吉电子伏特,为国内最高。

中国大陆运行的最大的环形加速器

目前我国的大型环形加速器包括上海光源(SSRF)的储存环(周长432米)、台湾光源(TLS)的储存环(周长120米)、台湾光子源(TPS)的储存环和增强器(周长分别为518.4米和496.8米)。HEPS增强器的周长为454米,由四个超周期对称结构组成,目前是大陆最大的环形加速器,在相同规模周长情况下,它的能量却高出近1倍。增强器是一种环形加速器,更高能量的环形加速器,通常采用较长的周长来获得更好的束流品质和寿命。

中国单束团电荷量最高的增强器

增强器起着承上启下的作用,在较低的能量(称为注入能量)下接收上游加速器(一般为直线加速器)的电子束,之后将束流加速到与储存环相同的能量(称为增强器的引出能量),最后引出束流并注入至储存环内。单束团电荷量的提升意味着可以快速地提升储存环每个束团的电荷量。另一方面,单束团电荷量的提高却要面对巨大的挑战,需要解决诸如束团集体效应、俘获和传输效率等问题。我国在运行的两台增强器的单束团电荷量都不超过2纳库,而HEPS增强器现已实现了超过5纳库的单束团电荷量。

世界同能量级别增强器中发射度最小

发射度是衡量电子束汇聚程度的一个物理量,发射度越小,束流汇聚的越小。为了实现世界最亮的第四代同步辐射光源之一,HEPS储存环的发射度设计指标为34皮米(1×10^-12米)弧度,比典型的第三代储存环低近两个量级,因此也就需要增强器提供更加汇聚的束流以提高储存环的束流俘获效率。而环形加速器的束流发射度是和电子束能量的平方成正比,即能量越高,降低发射度越难。HEPS增强器的能量最高6吉电子伏特,与欧洲的ESRF-EBS、美国的APS-U以及日本的SPring-8的增强器同属于高能增强器,降低发射度具有巨大的难度。在磁聚焦结构设计时,HEPS增强器采取了极致的优化措施来有效地降低发射度,在高能增强器中发射度最低。

世界首台可以储存环模式运行的增强器

在环形电子加速器中,用以加速的高频电场在环中确定了许多等间隔的稳定区,称为相稳定区。只有在相稳定区内的电子才能存活。根据HEPS的运行需求,需要将直线加速器的束流注入到增强器几个特定的相稳定区内,而增强器中每个相稳定区内的束流需要引出并注入到储存环的任意一个相稳定区内。要完成这些功能,增强器需要在注入能量和引出能量停留足够长的时间,并且束流需具有足够长的寿命,这种运行模式与储存环的运行模式相同。增强器以这种模式运行,不仅需要磁铁的电源同时具备很高的静态稳定性和动态跟踪精度,而且需要准确的定时信号和巧妙的逻辑来控制这些进程。相比于其他增强器类正弦的能量变化方式,HEPS增强器具有更高的灵活性和可调控性。

作为储存环的满能量注入器,HEPS增强器有注入、升能、回注、累积和引出等工作阶段,主要负责将电子束流从500兆电子伏特加速到6吉电子伏特,为储存环提供高品质的电子束。目前,HEPS增强器已经完成了从直线加速器的注入以及升能调试。按照设计,在储存环完成建设之后,增强器还会进行引出调试,还将进而接收从储存环返回来的电子束,和直线加速器来的电子束汇合,届时这两束电子就像一对华尔兹舞者,在增强器和储存环这两个环环相扣的舞池里曼舞。

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