高能同步辐射光源储存环日前成功实现束流存储,束流流强超10毫安
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记者8月19日从中国科学院高能物理研究所(以下简称高能所)获悉,国家重大科技基础设施——高能同步辐射光源(HEPS)储存环日前成功实现束流存储,束流流强超过10毫安。这标志着HEPS加速器建设成功,进入了调束快行道。
HEPS是我国“十三五”期间优先建设的国家重大科技基础设施之一,是国家发展改革委批复立项,中国科学院、北京市共建怀柔科学城的核心装置,由中国科学院高能物理研究所承担建设,于2019年6月启动建设,建设周期6.5年。
建成后,HEPS可发射比太阳亮度高1万亿倍的光,将是世界上亮度最高的第四代同步辐射光源之一,也将是中国第一台高能量同步辐射光源,使中国继欧、美之后跻身为世界三大第四代高能同步辐射光源所在地之一,将与我国现有的光源形成能区互补,面向航空航天、能源环境、生命医药等领域用户开放。
束流调试挑战巨大 科研人员做预案
从空中俯瞰,高能同步辐射光源外形如同一个“放大镜”,寓意“探测微观世界的利器”。其中的“镜框”就是高能同步辐射光源的核心建筑。在这个主体建筑里,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是如何产生同步辐射光的?HEPS加速器部副主任、中国科学院高能物理研究所研究员焦毅介绍了这一过程,位于源头的电子枪产生高品质的电子束,经直线加速器将电子束加速到0.5GeV(千兆电子伏特)的高能量,注入到周长450多米的环形增强器,继续提高能量到额定的6GeV。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环形运动。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,会沿着偏转轨道的切线方向发出电磁辐射,就是高能量、高亮度的同步辐射光。
HEPS如同一个超大号的X光机,利用HEPS产生的同步辐射光,可以更好地“看清”微观世界,揭示物质微观结构生成及演化机制,观察单晶生长、蛋白质分子结构、航空工程材料的结构缺陷及演变等。
目前,HEPS直线加速器、增强器已满能量出束,储存环正在束流调试,光束线站正在加紧设备安装。
其中,储存环是HEPS的核心组成部分,用于储存高能高品质电子束,发射高品质的同步辐射光。HEPS储存环圈内面积超过20个足球场,于今年7月1日完成全部设备研制和安装。设备安装就绪并完成系统联调后,科研人员即开始进行束流调试工作,“就是将增强器中的电子束,注入到储存环,使其在半径约11毫米、长度达1360米的储存环真空盒轨道中跑起来,一秒钟跑20多万圈,检验电子束和多种设备的‘磨合’情况。”焦毅说。
据HEPS工程总指挥、高能所研究员潘卫民介绍,调束初期,储存环就有1776块磁铁、2500余台电源、578个电子束流位置探测器、1360米真空室、3个高频腔、2台脉冲冲击器和切割磁铁,控制信号超过10万路,任何一个微小的硬件错误,例如一个硬阻拦或设备安装错位,都会影响电子束的轨迹。
另外,HEPS有注入和引出两块切割磁铁,以光速飞奔的电子束需要一次次穿过两台切割磁铁处约2毫米的物理孔径,这无疑是一个巨大的挑战。
1360米的储存环的束流通道中是否有“硬阻拦”?输运线、储存环的上千块磁铁有没有极性接反的情况?面对这些不确定性,科研人员预先对几种异常情况做了预案,并基于增强器束流开展了相关实验。
调束团队24小时工作 难题被一一解决
7月23日中午,HEPS储存环正式开机调束。当天15:10,储存环实现首次注入;19:50,储存环实现首圈贯通。这意味着,储存环没有任何一个大的硬阻拦,而且磁铁准直工作做得非常好。“国际很多先进实验室的加速器都遇到过硬阻拦的情况,我们本来预计这项工作会在一周完成,没想到只用了几个小时。当天电子束流每向前前进一段,大家就高兴地鼓掌。我们有一点幸运,更重要的是前期设备安装和调试是非常仔细和扎实的。”焦毅说。
开机以来,他带领平均年龄仅34岁的调束团队,每天24小时不间断地进行调束。调束初期有很多实际困难,比如束流电荷量低,衰减快,导致实际可用的监测手段及精度受限等。这些难题都被团队一一解决。
好消息接连传来。8月6日凌晨,HEPS储存环首次成功实现单束团束流存储,流强约60微安,寿命超过1分钟。随后,科研人员启动多束团注入调试。他们通过多种手段,持续提升存储流强和束流寿命。直至8月18日,储存环成功存储35个束团,流强达到12毫安。“打个不一定特别恰当的比方就是,1000多米的储存环有700多个‘小屋’,如果大部分‘小屋’都有‘住户’,能达到的流强是100-200毫安。现在只入住了35个‘住户’,对应的流强是十几个毫安。”焦毅说。
潘卫民说,“储存环成功实现束流存储是一项重大进展,这表明我们前期的设备安装、调试非常成功,也标志着HEPS光源进入了一个新的阶段。”
在20多天的调束时间里,HEPS科学技术委员会主任、储存环调束总顾问、中国工程院院士陈森玉多次住在怀柔,亲自参加调束。曾主持建成北京正负电子对撞机储存环的他说,这次HEPS调束任务异常艰巨,但调束团队在很短的时间内就取得了很好的成果,“可以说几乎没有走一点弯路,表现出色”。
新京报记者 张璐
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