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高能同步辐射光源HEPS入选国家“十三五”科技创新成就展

2021-11-08 15:19     来源:怀柔科学城HSC     高能同步辐射光源X射线直线加速器
中国科学院高能同步辐射光源HEPS入选国家“十三五”科技创新成就展。今天就带大家一起了解下这个由中科院高能所承担建设的大科学装置。带你了解作为“国家队”的一员,HEPS的“发光点”和建成后的应用领域。


大科学装置与其他工程有什么不一样?大科学装置又称国家重大科技基础设施,是指为提升探索未知世界、发现自然规律、实现科技变革的能力,由国家统筹布局,依托高水平创新主体建设,面向社会开放共享的大型复杂科学研究装置或系统,是长期为高水平研究活动提供服务、具有较大国际影响力的国家公共设施,具有科研、工程双重属性。

大科学装置中一个小小的设备,都要经历反复实验、拷机,经过测试达标后,方可安装到装置上。

高能同步辐射光源——“十三五”期间优先建设的大科学装置

项目情况

高能同步辐射光源(High Energy Photon Source,HEPS),位于怀柔科学城北部核心区,是在国家发改委支持和指导下,中国科学院和北京市落实国家“创新驱动发展”战略,共建怀柔科学城的重要核心装置,是国家发改委立项“十三五”期间优先建设的,为国家重大战略需求和前沿基础科学研究提供技术支撑平台的国家重大科技基础设施。项目主要建设内容包括加速器、光束线站及辅助设施等,建设周期6.5年,2019年6月开工建设,预计将于2025年12月底建成。

HEPS项目整体建筑外形似一个放大镜,寓意为探测微观世界的利器,建设高性能光束线站的容量不少于90条,首期建设14条公共光束线站,向工程材料、能源环境、生物医药、石油化工等领域的用户开放。


项目特点

HEPS是我国第一台高能量同步辐射光源,也将是世界上亮度最高的第四代同步辐射光源之一。其储存环加速器的电子束流能量为6GeV,可提供300keV的高能X射线,将有效满足国家战略和工业核心创新能力等相关研究对高能量、高亮度的X射线的迫切需求,使得我国的同步辐射光源向高能区扩展,和我国现有的光源形成能区的互补,进一步满足用户迅速增长的需求,保证同步辐射光源对我国科学研究具有可持续的支撑能力。

HEPS储存环加速器的周长约为1360.4m,电子束流能量为6GeV,亮度高于1×1022phs/s/mm2/mrad2/0.1%BW,通过采用7BA弯铁消色散的结构单元,实现电子束流的水平自然发射度优于60pm·rad,提供高相干性等特点的同步辐射光,这也是第四代衍射极限光源的主要特点。


▲第三、四代同步光源束斑截面对比

HEPS可提供具有能量高达300keV的高能量、高亮度、高相干性等特点的同步辐射光,具备nm量级空间分辨、ps量级时间分辨、meV量级能量分辨能力,具有穿透能力强等优势,使真实工件的高精度微观结构研究成为可能,为高能射线衍射、高Z元素的谱学、极端条件下的实验、高密度和/或大尺度样品成像等国家发展战略和工业核心迫切需求的相关研究,提供多维度、实时、原位的表征平台,解析工程材料的结构、观察其演化的全周期全过程,为材料的设计、调控提供信息。

装置介绍

HEPS主装置主要包括加速器、光束线和实验站3个部分。

★NO.1 加速器

加速器为加速带电粒子、提供同步辐射光的装置,HEPS装置加速器由直线加速器、增强器和储存环三台独立的加速器,以及连接彼此间的3条输运线组成。

HEPS加速的带电粒子为电子,首先由源头的电子枪产生高品质的电子束,再由直线加速器加速到0.5GeV的能量,经过低能输运线注入增强器中。增强器将0.5GeV的电子束加速到额定的6GeV,经过高能输运线,再注入到专门为电子发光准备的储存环中。

电子束团在储存环的环形轨道中以接近光速的速度运动,在储存环上的不同位置,通过弯转磁铁或者各种插入件时,电子束团运动方向发生变化,按照经典电动力学的法则,会沿着偏转轨道切线方向,从弯转磁铁或者各种插入件发射高品质、高能量、高强度的连续或可调光谱的同步辐射光。这也就是为什么同步辐射装置都是环形的。

▲HEPS加速器布局示意图

★ NO.2 光束线

光束线沿储存环外侧分布,是连接储存环与实验站的桥梁,从电子储存环引出的同步辐射光,经光束线上的高精度压弯、单色器、聚焦镜等一系列精密光学系统分光、准直、聚焦等再加工后,输送到实验站。

储存环发射的同步光具有独特的优点:

❖ 频谱宽,同步辐射光波长连续可调,覆盖红外、可见光、紫外和X射线波段,可根据需要,利用单色器选取不同波长的光,进行单色光实验;

❖ 加速器中的电子分布不是连续的,而是一团一团的电子束在做回旋运动,因此,产生的同步辐射也是脉冲式的,具有时间分辨;

❖ 同步辐射的发散角小,光线几乎是平行的,因此,其利用率和分辨率均大幅提高;

❖ 亮度高,可用于高分辨的实验。

经处理后,HEPS的同步光具备nm量级空间分辨、ps量级时间分辨、meV量级能量分辨能力。


▲HEPS光束线站布局示意图

★ NO.3 实验站

各领域的用户在实验站利用各种实验仪器开展科学实验。实验站中有各种类型的实验装置、样品环境等实验设备。比如有大型的衍射仪,可以配备低温样品容器,研究超导状态下材料的电子结构;比如可以配备高压高温装置,研究在高压高温条件下物质的结构等。各种领域里的用户带着各自的样品,在实验站上,利用同步辐射光、实验站上配备的各种仪器获取相关的实验数据。

HEPS建设高性能光束线站的容量不少于90条,根据高亮度、高能量、高相干性等特点,HEPS光束线站瞄准国家发展战略和科学前沿发展,参考国际上高能量同步辐射装置光束线站的设置,同时也考虑经费限制和建设工期等具体情况,在广泛调研和多次研讨的基础上,确定了首批建设14条面向用户的公共光束线和相应的实验站。其中,11条束线的实验站位于实验大厅建筑内,有3条100米以上的超长光束线,其光束线穿越实验大厅建筑后,在大厅外面建设实验站。


▲HEPS首期建设线站列表及布局图

应用领域

HEPS各线站有其擅长的实验方法,比如有可利用连续光谱的X射线吸收谱学、利用高相干性的X射线相干散射实验法、高通量生物大分子微晶衍射实验法、超硬X射线成像实验方法等的技术和相关设备,支持工程材料、催化与能源、生命科学与生物医学、新材料等前沿科学研究和国家发展战略中部署的课题。在为众多用户提供常规技术支撑的同时,还将为国家发展战略和工业核心迫切需求的相关研究,提供多维度、实时、原位的表征平台,解析工程材料的结构、观察其演化的全周期全过程,为材料的设计、调控提供信息。

由于同步辐射装置能够对各学科的前沿研究提供重要的支撑,以同步辐射装置为核心,建设多学科的研究平台,形成多学科的、多种装置的聚集效应,打造大型的国家级实验平台也已成为一个瞩目的科学基础设施建设的发展趋势。HEPS将与怀柔科学城内建设的综合极端条件装置等其他设施和平台紧密结合,形成综合性大装置集群,有力地推进国家科学技术的发展。

社会经济效益

HEPS的建设是推动我国同步辐射光源领域研究达到世界前沿的重要举措,建成后,将为基础科学和工程材料等领域原创性、突破性创新研究提供重要支撑平台,将显著提升我国在科技和产业领域的原始创新能力的同时,也将成为我国重要的国际科技合作与基础科学研究平台。

作为尖端技术的大型科学装置HEPS自身的建设,将研发和引进多项世界先进技术,也会带动和提升众多相关产业的技术进步,产生良好的社会经济效益。

加速器是综合多种高技术,如高频、微波、高精度电磁场、稳定和脉冲电源、超高真空、高电压、精密机械、计算机自动控制等的大型设备。光束线站的建造将引进和发展世界先进的光学技术和探测技术,包括各种形态的单色器、分析器晶体、像素阵列探测器、新型快电子学和海量数据传递和处理等。这些技术在我国进一步发展和推广,将大大提高我国相关高科技产业的水平。

项目进展

2016年12月23日,HEPS列入《国家重大科技基础设施建设“十三五”规划》。

2017年12月15日,HEPS项目建议书获得国家发改委批复,正式立项。

2019年6月29日,HEPS项目在怀柔正式开工启动。

2020年7月1日,HEPS工程首根屋面梁吊装完成。

2021年3月20日,首批磁铁完成测试,运抵怀柔。

2021年6月27日,主环建筑成环亮相。

2021年6月28日,首台科研设备——电子枪安装。

截至2021年10月底,HEPS建安工程完成总工程量的80%,部分建筑单体交付,进行设备交叉安装,其中,直线加速器设备支架正在加紧安装;同时,磁铁、电源、高频功率源等设备完成加工,正在进行测试、拷机实验等安装准备工作,光束线站加紧完善设计,光学元件及关键设备开始采购加工。

目前,项目正加快建设。期待HEPS的第一束光。
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