中国高能同步辐射光源及其验证装置工程

2019年2月6日12:54:54中国高能同步辐射光源及其验证装置工程已关闭评论 269 views

中国科学杂志社

姜晓明①*, 王九庆①, 秦庆①, 董宇辉①, 盛伟繁①, 程健①, 徐刚①, 胡天斗①, 邓虎①, 陈福三①, 龙锋利①, 陆辉华①, 岳军会①, 李春华①, 孙毅①,陈锦晖①, 董海义①, 蔡泉①, 徐伟①, 李明①, 常广才①, 郑红卫①, 陶冶①, 刘鹏①, 刘景①, 孙冬柏②, 黎刚①, 石泓①, 曹建社①, 谭园园②

① 中国科学院高能物理研究所, 北京 100049;

② 北京科技大学国家材料安全服役科学中心,  北京 100083

*联系人, E-mail: jiangxm@ihep.ac.cn

收稿日期: 2014-05-12; 接受日期: 2014-07-02; 网络出版日期: 2014-08-27

资助课题:中国科学院知识创新工程重要方向项目(编号: KJCX2-EW-N04)、中国科学院重大科技基础设施预先研究项目、中国科学院“百人计划”D 类、中国科学院高能物理研究所 X 射线光学与技术实验室开发基金、国家自然科学基金(批准号: 51374019)资助项目

摘要:同步辐射光源已成为众多学科前沿领域不可或缺的大科学装置.  我国现有的同步辐射光源都是中、低能光源, 然而与国家重大需求和工业核心创新能力相关的研究急需高性能的高能同步辐射光源支撑, 因而建设一台高性能的高能同步辐射光源将为国家的重大需求提供重要支撑, 并大大缩小我国与国际先进光源的差距. 本文阐述了建设高能同步辐射光源的必要性及意义, 分析了国内外同步辐射装置的发展现状, 重点介绍了中国高能同步辐射光源的科学目标、初步方案和技术难点, 并系统介绍了国家“十二五”重大科研基础设施发展规划中拟开展的高能同步辐射光源验证装置工程的建设目标和建设方案.

1    引言

1895 年, 伦琴发现X 射线, 使人类可以透过物体表面看到内部的结构[1]. 1912 年, 劳埃发现 X 射线晶体衍射现象, 开创了晶体学研究, X 射线成为人类探索微观世界的理想探针[2]. 一百多年来, X 射线给人们的生活和科学技术发展带来了重大影响: X 射线成像诊断和放射治疗设备成为提高人们健康生活水平的重要手段; 各种工业探伤及 CT 技术设备成为新型材料研发、各类制造业质量控制及各种大型设备内部早期微观缺陷观察的核心技术手段; 特别在科学研究领域, X 射线使人类突破了一般光学技术方法的限制, 深入物质内部观测物质表面下的微观原子、分子结构, 成为人类在原子-分子层次上探索微观世界的最有效方法和手段, 例如, 作为材料最基本的晶体原子结构, 最可靠的数据就是来自于 X 射线衍射方法.

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之一. 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. 因此, 如何获得更高亮度的X 射线源一直是科学技术人员孜孜不倦的追求目标.

从 1895 年到 1960 年代, X 射线光源的发光机理都是利用一定能量的电子打在金属靶上产生的轫致辐射. 由于轫致辐射的发光效率只有 3%左右, 95%以上的电子能量都变成了金属靶的发热, 使得 X 射线源的亮度提高受到极大限制. 20 世纪中叶, 基于粒子加速器的 X 射线产生技术, 诞生了远比常规 X 射线源性能先进的同步辐射光源(Synchrotron Radiation Facility, SRF), 使X 射线光源发生了革命性的变革[3].同步辐射光源的工作原理是使以接近光速运动的电子在储存环的环形轨道上, 通过不同强度的磁场做恒速率、变方向的运动, 并产生性能优异的电磁辐射. 图 1 所示为X 射线光源的亮度发展图. 在半个多世纪的历程中, 同步辐射光源经历了三代的发展: 与高能物理研究兼用的第一代光源(The 1st Gener- ation Light Source, 1GLS); 专用于同步辐射研究的第二代光源(2GLS); 以小发射度、多插入件为特征的、高亮度的第三代光源(3GLS)[4]. 近年来, 科学界开展了大量的以衍射极限光源或 X 射线自由电子激光为代表的新型光源的探索和研发工作.

第三代同步辐射光源的特点之一是大量使用扭摆器和波荡器等插入件来提高辐射光的亮度[5]. 除了利用弯铁外, 第三代同步辐射装置注重在更多的直线段中安装周期性磁场的磁铁部件(这些部件称为插入件), 以得到性能更好的同步辐射光. 电子经过周期性磁场时, 发生往复地周期性偏转, 每次偏转发出的辐射光叠加在一起, 其强度比弯铁中产生的辐射光强很多. 若磁铁的磁场较强, 则电子通过时往复偏转幅度较大, 产生的辐射光能量较高, 这种磁铁称为扭摆器(Wiggler); 若磁铁的磁场较弱, 电子通过时往复偏转幅度较小, 在每个周期中发出的辐射光会因相干而在某些频率上极大地增强, 并且集中在一个很小的锥束里, 这种磁铁称为波荡器(Undulator), 见图 2.

同步辐射光的能区跨越了从 THz、红外到硬 X 射线宽广的范围, 除了宽波段外, 还具有高亮度、窄脉冲、高偏振等优良特性, 性能远高于实验室常用 X 光机产生的 X 射线, 成为研究物质结构的有力工具. 同步辐射装置对科学技术发展影响的广度和深度是其他任何一种科学装置所无法比拟的. 它已经成为众多学科的前沿领域所必不可少的研究手段, 并在这些领域不断产生出激动人心的创新性研究成果.

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1 X 射线光源亮度的发展

Figure 1 The brightness improvement of X-ray sources.

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2 (网络版彩图) 3 种磁铁结构发出的同步辐射光

  • 弯铁发出的辐射光; (b) 扭摆器发出的辐射光; (c) 波荡器发出的辐射光

Figure 2 (Color online) Synchrotron radiation from three types of magnets with different constructs. (a) Radiation from bend magnet; (b) radiation from wiggler; (c) radiation from undulator.

同步辐射装置影响的广度首先体现在应用广泛, 其应用领域包括物理学、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、计量学、考古学等. 同时, 同步辐射在工业研发中也有大量应用. 同步辐射装置对科技发展影响的广度还体现在其用户群体庞大. 根据对世界上 6 个有代表性的同步辐射装置(4 个第三代同步辐射装置: 欧盟的 ESRF、美国的 APS、ALS 和日本的SPring-8; 2 个第二代同步辐射装置: 美国的 NSLS 和日本的 PF)的统计, 近年来每年有近 2 万用户利用这6 个光源开展科学实验, 发表文章 5 千多篇, 其中大部分文章都发表于世界顶级科技期刊[6–11].

同步辐射对科技发展影响的深度可以将结构生物学作为典型示例. 结构生物学研究需要解析数量巨大的大分子结构, 同步辐射已成为不可或缺的手段. 蛋白质数据库和 BioSync 的数据显示, 近年来用同步辐射解析的数量已占总量的 70%以上(http://biosync.sbkb.org/)[12]. 同步辐射对大分子结构解析更具意义的影响是使许多复杂结构的解析成为可能, 如超大的大分子复合物和组装体等. 如图 3 所示(http:// www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/), 近 20 余年来, 有 5 项基于同步辐射生物大分子结构解析的研究成果获得诺贝尔化学奖.

2      同步辐射光源的发展

2.1   国际发展现状

同步辐射光源对科学技术发展的影响力已得到科技界和各国政府的广泛认同和高度重视, 其数量持续增长, 性能不断提升. 迄今, 全世界有 50 余台同步辐射装置在运行. 其中, 第三代和“接近第三代”光源的主流机型数量达 28 台, 占在运行装置总数的一半以上; 3 台高能同步辐射光源发挥着不可替代的“旗舰”和“领头军”的作用, 引领同步辐射技术的发展. 此外, 还有 10 多台第三代同步辐射装置正在建造和规划中.

科学发展的需求为先进光源的发展带来了巨大的驱动力. 美国能源部的相关研究机构就科学发展对先进光源的需求开展了研究, 发表了白皮书《未来光源的科学和技术》, 将这种需求归纳为以下 4 个方面[13].

  • X 射线时间结构——完全可控的纵向相空间. 脉冲宽度和时间分辨率达到阿秒量级, 傅里叶变换极限的脉冲结构——从毫电子伏带宽的皮秒级脉冲到 10 电子伏带宽的亚飞秒级脉冲, 可控的纵向脉冲形状、幅度和相位, 以及与常规脉冲激光同步和协同等方面.
  • 横向完全相干. 满足实空间成像/衍射成像和光子关联谱学需要, 同时光学系统足以保持和利用横向相干性.
  • 高平均通量和亮度. 准连续波(至 1 GHz)光源, 在硬X 射线和/或软X 射线能区的平均亮度和/或亮度大大超过已有的光源, 高重复频率(至 1 MHz)的短脉冲光源.
  • 可调性、可控的偏振性、扩展的光子能量. 软X 射线能谱可调(覆盖过渡金属的 L 边), 偏振可调和可控制, 硬 X 射线能量可扩展到 100 keV 以上等.

科技界正在从多方位向上述目标努力, 开始提出一些性能更为先进的第三代同步辐射光源计划, 有的已开始建设; 三台高能同步辐射装置开始进行升级改造; X 射线自由电子激光项目不断增加; 能量回收直线加速器光源的技术研发在加快推进; 衍射极限光源的建设开始筹划.

同时, 各国科学界也在致力于光束线技术、实验仪器、实验方法的发展, 使光源的优良性能得到充分发挥, 研究支撑能力上一个新台阶. 主要包括以下方面.

  • 具有结构探测和谱学功能的纳米级硬 X 射线探针(小于 10 nm), 可进行单个纳米颗粒的表征, 包括密度、元素组成、化学态、自旋、应变、磁化、原子和电子结构.
  • 基于衍射技术的非晶样品纳米分辨 3 维实空间成像, 包括具有化学和磁学衬度的化学成像和磁成像.
  • 微束( 小于 5 mm×10 mm) 、 10-7( 好于 1 meV@10 keV)能量分辨、0.1 nm-1 动量分辨的硬 X 射线非弹性散射实验.
  • 5 万至 10 万分辨能力的软X 射线共振非弹性散射实验.
  • 高能量分辨(1×10-5)的微束(1 mm)硬 X 射线(高达 100 keV)吸收实验.
  • 大于 1 Mbar 高压、高于 3000°C 的高温、低于 100 mK 的低温、30 T 稳态和 50 T 脉冲强磁场等极端条件以及若干上述条件综合下的衍射、谱学和成像实验.
  • 尺度 1 mm, 甚至更小晶体的大分子结构解析, 克服一些大分子的结晶瓶颈.
  • ms 至ms 分辨的真实材料合成和催化过程的原位研究、ns 至 fs 的化学、凝聚态物理、生物大分子的原子分子动力学研究.

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3 (网络版彩图)获得诺贝尔奖的 5 项基于同步辐射结构解析的研究工作(http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/)

Figure 3 (Color online) Five Nobel prizes in chemistry based on synchrotron radiation structure analysis (http://www.nobelprize.org/ nobel_prizes/chemistry/laureates/).

2.2      中国同步辐射光源的发展历程

我国大陆现有 3 台同步辐射装置: 北京同步辐射光源(Beijing Synchrotron Radiation Facility, BSRF), 合肥同步辐射光源(Hefei Light Source, HLS)和上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility, SSRF).

1989  年建成的北京同步辐射光源是依托于北京正负电子对撞机的第一代同步辐射装置,  运行在 2.5GeV, 有 14 条光束线、15 个实验站, 覆盖波段较广, 从真空紫外到硬X 射线[14]. 由于是兼用光源, 每年只有约 2000 小时同步辐射专用机时, 同步辐射光的利用上受到很大限制. 北京正负电子对撞机重大改造工程(Beijing Electron Positron Collider II, BEPCII)完成后, 部分束线可以在对撞模式下兼用运行, 机时紧缺的问题得到了一定程度的改善.1990 年建成的合肥同步辐射光源是束流能量为800 MeV 的第二代同步辐射光源, 有 14 条光束线, 14 个实验站, 主要工作在真空紫外和软 X 射线波段[15]. 近年来经过两次不同程度的升级改造之后, 光源性能有了大幅提升.与国际状况类似, 基于北京同步辐射光源和合肥同步辐射光源的科学研究亦非常活跃. 两个装置每年接待上千用户, 开展 600 个左右科学实验, 发表数百篇论文(http://www.nsrl.ustc.edu.cn/yonghu/)[16]. 近年来, 随着光源性能和用户科研水平的提升, 陆续产生一些具有较大国际影响的成果, 但北京同步辐射光源和合肥同步辐射光源的性能和提供的机时都远远不能满足用户需求.

2009 年建成的 3.5 GeV 上海光源的设计性能堪与世界上已有的最先进的中能第三代同步辐射装置媲美, 其建设速度和技术水平得到国内外同行的高度评价[17]. 首批建设的 7 条光束线已经投入运行, 上海光源的二期线站建设工程即将开始, 预期在 10 年或稍长的时间里, 上海光源将实现线站容纳能力的80%左右.

由以上情况可以看出, 我国先进光源发展的走势与国际基本一致, 但发展进程与世界先进国家相比有很大的差距, 特别是高能同步辐射光源方面尚是空白. 大量与国家安全和工程材料等方面相关的研究需要同时具备更高亮度(1021 或者更高)和更高能量(光子能量在 100 keV 左右或者更高)的 X 射线, 这种性能的 X 射线只能由一台高性能的高能同步辐射装置提供.

我国已确立到 21 世纪中叶成为世界科技强国的目标, 为实现这一目标, 国家发展和改革委员会、科学技术部、中国科学院等国家相关部门就科技条件建设开展了大量战略研究, 其中对重大科技基础实施给予了特别关注. 国家中长期科技发展规划提出了至 2020 年的目标, 即自主创新能力显著增强; 科技促进经济社会发展和保障国家安全的能力显著增强, 为全面建设小康社会提供强有力的支撑; 基础科学和前沿技术研究综合实力显著增强, 取得一批在世界具有重大影响的科学技术成果, 进入创新型国家行列, 为在 21 世纪中叶成为世界科技强国奠定基础(http://www.gov.cn/zwgk/2013-03/04/content_234489 1.htm).

根据上述目标和相关战略研究, 至 2020 年我国先进光源的发展应达到国际先进水平, 光源的数量、性能、能量覆盖、地域分布应能支撑我国科技人员在相关科学前沿领域和解决与国家发展密切相关的重大科技问题上开展高水平的科学研究. 很明显, 这些研究需求不能依靠国外的同步辐射装置来解决. 高能光源的缺乏制约了上述与国家重大需求相关研究的发展, 必须尽快解决.

因此, 建设一个高性能的高能同步辐射光源(HEPS), 集中解决与国家安全和工程材料相关的重大国家需求, 同时优化光源的能量覆盖、地域分布, 将成为实现我国先进光源的发展达到国际先进水平这一目标的重要一步.

3      中国高能同步辐射光源初步方案

3.1      高能光源的科学意义

在我国建设一台高性能的高能同步辐射光源将大大缩小我国与国际先进光源的差距, 特别在高能同步辐射光源方面, 将使我国进入世界先进水平行列, 为与国家安全和工业核心创新能力相关的研究领域提供独一无二的强大支撑.

3.1.1      实现我国同步辐射光源的全能区覆盖

同步辐射应用涉及广泛的射线能区, 从 THz、红外直至高于 100 keV 的硬X 射线. 不同电子能量的光源有各自性能最佳的覆盖能区. 世界上已有的同步辐射装置的电子能量大致分为三个能段(图 4): 一段是800 MeV–2 GeV, 主要工作在真空紫外(VUV)和低于 20 keV 的 X 射线能区; 另一段是 3 GeV 左右, 主要工作在软 X 射线和高至 40 keV 的硬 X 射线能区, 而在 40 keV 以上, 光源的亮度则急剧下降; 第三段是高能环,  目前世界上有 6  GeV 的 ESRF,  7  GeV 的APS 和 8  GeV 的 SPring-8,  以及最近开始运行的 6GeV 的 PETRA-III,  它们的射线能区可以扩展到 100keV 以上[18].

40 keV 以上的 X 射线称为高能 X 射线, 高能 X 射线具有穿透能力较强(见图 5)、动量较高、Ewald 球曲率较大等优势, 使真实工件的高精度微观结构研究成为可能, 例如高能射线衍射、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. 这些实验技术涉及材料科学、物理学、环境科学、地球科学、生物医学、工程物理、工程学等广泛领域中的许多重要研究工作, 其中许多属于国家重大需求[19–21].

随着我国科技发展及国力增强, 特别是与国家安全和工业核心创新能力相关的研究急需高性能的硬X 射线. 在上海光源建设完成之后, 建设一台高能量、小发射度的先进光源是非常必要的.

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4 不同能区的光源有不同的优势

Figure 4 Advantages of photon sources in different energy range.

3.1.2       与国家重大需求和工业核心创新能力相关研究的迫切需求

计划建设的高能同步辐射光源将致力于满足与国家重大需求密切相关的研究需求, 这些研究需要的是兼具高亮度和高能量的硬 X 射线, 这种硬 X 射线只能由高能、小发射度的同步辐射光源来提供.

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5 (网络版彩图)不同能量 X 射线对一些材料的穿透能力(http://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/tab3.html)

Figure 5 (Color online) The penetration depth of X-rays in different Materials(http://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/tab3.html).

高能量、小发射度的先进光源能够提供的 X  射线光子能量在 40–300 keV 的能区中, 亮度比现有的中能光源至少提高 2 个数量级. 150 keV 的硬 X 射线可以穿透厘米量级的金属材料, 极高的亮度使得对这些材料进行精细结构分析成为可能. 因此, 高能量、小发射度的先进光源提供了研究真正在现场使用的材料在真实的制造和工作状态下结构精细变化的能力, 这种能力对于高温合金的结构研究(包括单晶生长原位观察和单晶损伤原位观察)、与新能源相关的研究以及先进材料研究等国家需求至关重要.

3.1.3      更好地满足前沿基础科学的迫切需求

除了对于国家战略高技术发展的关键作用外, 像所有同步辐射装置, 特别是第三代同步辐射装置一样, 计划建设的高能同步辐射光源对广泛的科学领域的发展具有重要意义. 高能同步辐射光源因其优良的性能, 使得许多对光源性能要求很高的实验技术的实现成为可能. 这些支撑作用将使我国的相关科学研究迅速进入世界科技前沿并促进这些研究达到世界先进水平.

高能同步辐射光源对前沿科学研究的支撑能力主要体现在以下几个方面:

  • 提供能量上限可达 300 keV 的高性能同步辐射 X 射线, 满足国家重大需求及工程材料方面的特殊需求;
  • 为衍射实验提供 mm 量级的聚焦光斑, 获得重要但结晶十分困难的蛋白质晶体结构, 解决生命科学研究的瓶颈问题;
  • 为谱学和成像研究提供nm 量级的聚焦光斑, 直接观察纳米尺度上的结构变化;
  • 达到 ps 量级的时间分辨能力, 研究物质(生命物质和非生命物质)结构变化的动力学过程, 为实现物质调控奠定基础;
  • 超高能量分辨(<1 meV)和动量分辨(0.1 nm-1)的谱学方法为精细结构研究提供条件;
  • 原位研究和极端条件下的研究.这些支撑能力将会对多个学科, 如分子环境科学、极端条件下的科学研究、纳米科技、催化和能源、生命科学和生物医学的发展起着重要的推动作用.

3.1.4      满足不断增长的用户需求

上海光源的成功建设为我国的基础科学研究提供了一个先进的支撑平台, 使得我国的多学科用户群体获得了快速的发展. 而且由于研究工作的深入, 用户课题组对于同步辐射实验机时的需求也大幅度增加, 这使得上海光源的二期线站建设中, 各领域用户纷纷要求在上海光源建设实验线站, 已经超出了上海光源的线站容量. 同时, 随着用户研究领域的进一步拓展, 中能光源难以满足那些与国家重大需求相关的研究对高亮度、高能 X 射线的要求.

3.2 高能同步辐射光源(HEPS)的建设目标与技术方案

根据国内外同步辐射光源发展、国家科技发展和重大任务的要求, 以及广大用户的迫切需求, “十三五”时期在我国建设一台电子能量为 5 GeV、发射度小于 0.1 nm·rad(具有提升到 0.01 nm·rad 的能力)的高能同步辐射光源(High Energy  Photon Source, HEPS) 将对解决与国家重大需求相关的研究需要, 优化我国同步辐射光源的能区覆盖和地域布局, 有效提升多学科前沿研究领域的支撑能力, 具有十分重大的意义.

HEPS 的建设包括高能、小发射度的电子储存环以及相应的直线加速器、增强器, 针对国家安全、工程材料研究和基础科学研究建设的实验线站以及相关的辅助设施等. HEPS 的建设主导思想为:

  • 至 300 keV 高能区, 同步辐射光的亮度高于现有的第三代高能光源;
  • 可以建设更多的高性能束线(插入件引出);
  • 预留进一步拓展为更加先进的光源(能量回收型直线加速器光源或者衍射极限光源)的空间;
  • 适度的造价, 高的性价比.

为了满足这些需求, 拟采取的技术措施为:

  • 发射度小于 1 nm·rad, 可升级至 0.01nm·rad. 小发射度是目前同步辐射光源发展的趋势, 也是保证高亮度的关键.
  • 电子能量为 5 GeV, 可以保证 300 keV 硬 X射线的亮度.
  • 更多长直线节. 以安装高性能的插入件, 获得高性能的 X 射线.

根据以上先进性要求, 初步确定的HEPS 储存环的主要性能指标如表 1 所示.

HEPS 首选采用能够达到更低发射度的 7BA 磁铁聚焦结构(7-Bend Achromat Lattice)设计方案, 周长约为 1300 m. HEPS 的电子能量为 5 GeV, 束流强度为 100–200 mA, 水平自然发射度为 0.05–0.1 nm·rad, 垂直发射度 0.005 nm·rad. 这个设计保证了从波荡器上获得的辐射光的亮度高于 1022 phs s-1 mm-2 mrad-2(0.1%BW)-1, 并且弯铁的特征能量高达 10.66 keV, 从而保证了 HEPS 可以建设 90 条以上高性能线站的能力.

1 HEPS 储存环主要指标

Table 1 Parameters of the HEPS storage ring
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这个指标不仅比目前正在建设和运行的所有同步辐射装置要高, 也高于目前世界上美国、欧洲、日本等国家正在酝酿的新建和升级的机器. HEPS 设计将是世界上最先进的光源, 如图 6 所示. 图中, 圆形图标表示已在运行的光源, 菱形图标表示正在建设的光源, 方形图标表示计划建设的光源. 椭圆内的光源是目前主力的第三代光源, 其能区主要集中在中能(2–4 GeV)和高能(6–8 GeV)两个区域. 方框内是新建的第三代光源, 其特点是发射度很小. 在其他条件在其他条件相同的情况下, 发射度越小, 亮度越高; 储存环能量越高, 获得的X 射线能量越高. HEPS 的发射度小于0.1 nm·rad, 在加入阻尼扭摆器及其他技术手段以后能够达到0.01 nm·rad 的水平.

4      高能同步辐射光源验证工程

HEPS 将成为世界上性能最为先进的光源, 进一步从数量上、地域上满足我国科技发展需求的同时, 还将更好地满足广大用户对能区和光源性能的需求.

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6  (网络版彩图)HEPS 的发射度与目前正在运行和建设的同步辐射装置比较(*[6], ** [22], *** [23]分别为 3 大高能光源的升级计划发射度)(http://www.lightsources.org/regions)

Figure 6 (Color online) The emittance of the HEPS compared with that of the running and building synchrotron radiation facilities (*[6],**[22] and ***[23] were the planning emittance of three high energy synchrotron radiation facilities)( http://www.lightsources.org/regions).

4.1      建设高能同步辐射光源的技术难点

HEPS 的建设指标对加速器、光束线和实验站的设计、建造和运行提出了很大的挑战. 表 2 和 3 中总结分析了实现 HEPS 的高指标对加速器、线站各部分技术的需求. 为了保证这个先进装置的顺利建设和运行, 在“十二五”期间, 高能物理研究所将进行高能同步辐射光源验证装置建设. 根据HEPS 具体的物理设计, 开展加速器、光束线和实验站的相关技术研究, 解决以下关键技术上的挑战, 为HEPS 这个高性能的高能同步辐射光源建设提供技术上的保证.

在加速器方面, HEPS 储存环中束流的发射度将达到国际先进水平, 需要最新的加速器物理设计及加速器技术才能达到. 同时, 更高的能量、更多的直线节及插入件都是国内现有加速器尚未达到的. 为实现HEPS 的最终建设目标, 对其储存环加速器物理及部分加速器关键技术进行研究和发展, 也就是本项目中加速器物理设计及多项需要研制的加速器关键设备, 就显得极为关键. 这些关键设备中, 有些是国际上也在探索发展的, 例如实现在轴注入的条带冲击磁铁; 有些是我们实现过但技术指标将有很大提高的, 如高精度磁铁电源及束流位置探测器(BPM, Beam Position Monitor); 有些则是在现有技术基础上继续发展提高, 如准直技术及超导高频技术, 等等. 这些加速器关键设备的研制对未来 HEPS 加速器的建设起着举足轻重的作用, 也是非常必要的.

从国际上看, 光束线站的技术发展落后于加速器性能的提升: 受制于精密光学加工技术, 目前能实际应用的硬X 射线聚焦仍在50 nm 左右; 受制于探测器的性能, 仍难以开展许多重要的实验. 从国内同步辐射发展的现状看, 高能 X 射线的设计建造和应用、皮秒量级时间分辨和高能量分辨等方面仍是空白, 与国际先进水平相差甚远. 为了使HEPS 的优异性能得到充分的体现, 真正为用户提供高水平的实验条件, 对一些关键实验技术和关键部件进行验证是必不可少的. HEPS 与三代同步辐射光源的实验线站的一些技术指标比较如表 3 所示.

2 高能同步辐射光源 HEPS 与第三代光源的加速器技术指标比较

Table 2 Accelerator parameters of the HEPS compared with that of  the third generation synchrotron radiation facilities

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另一方面, HEPS 的建设需要解决诸多领域的高水平装备的研制问题. 这种大科学装置建设驱动的前沿技术探索和创新将使得我国的电子、微波、自动控制、精密机械加工、光学元件检测和制作等相关基础工业水平能得到一次跨越式发展的机会, 在相关领域上达到世界先进水平. 同时, 在建设过程中形成的高新技术除了是我们未来顺利完成高能同步辐射光源建设任务的保证之外, 将会在有关合作企业的共同努力下顺利地转化为生产力, 实现知识创新和技术创新的完美结合.

4.2 HEPS 验证装置工程的建设项目

HEPS 将是一台能量高、发射度极小的先进光源, 国内技术积累有较大差距. 根据 HEPS 的建设需求、国内外的现状和发展, 拟从以下几个方面来确定与HEPS 建设相关的验证研究项目.

  • 涉及的技术在国际上已较成熟, 但在国内尚无技术积累, 且无商品可买, 如低温高性能波荡器、高能X 射线单色器、高能量分辨单色器等, 需要通过研制掌握关键技术, 做出验证样机.
  • 在国际上已成熟, 但尚不能满足 HEPS 的需求, 且在正式建设过程中要批量生产的装备, 如高精度磁铁电源、束流位置探测器、低温冷却双平晶体硅单色器等, 需要通过验证, 满足 HEPS 更高精度及更高热负荷运行条件的要求, 同时通过自主研发样机, 降低后续工程建设的造价, 提高运行效率和维护能力.
  • 涉及的技术在国际上尚未成熟, 处在发展之中, 如条带冲击磁铁、X 射线纳米聚焦技术、高面形精度光学元件压弯和检测等, 通过预制研究来积累技术, 为新光源建设提供基础.

3 HEPS 与第三代光源的实验线站技术比较

Table 3 Beamline parameters of the HEPS compared with that of  the third generation synchrotron radiation facilities

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HEPS 验证装置工程拟开展的关键技术研究项目中加速器方面的内容如下所述.

4.2.1      磁铁系统

新一代光源对于储存环的磁聚焦结构有极高的要求, 为了提高同步光的性能, 必须尽量减小束流的发射度, 同时为了增加直线节的长度, 必须尽量减小磁铁所占的空间, 这需要在储存环上使用一些特殊类型的磁铁, 对磁铁的磁场梯度和一致性等参数有极高的要求. 这些拥有超高梯度或功能组合型的特种磁铁在物理设计、铁芯材料、制造工艺和磁场测量等方面都需要有特殊的考虑, 因此, 需要进行以下项目的研究并验证相关技术的可行性.

  • 超高梯度磁铁的研究.

为减小储存环束流的发射度, HEPS 光源四极磁铁和六极磁铁都需要非常高的梯度, 其四极磁铁的梯度可能达到 100 T/m, 甚至更高, 磁铁极头尖端的磁场达到 1.25 T 以上. 随着梯度的提高, 磁铁极头的饱和程度越来越严重, 这就需要在磁铁的物理设计中进行深入的优化, 并在制作时采用饱和磁场更高的特种合金材料作为铁芯材料, 才能保证在磁场梯度及质量能够满足物理的需求.

  • 组合型磁铁的研制.

为了有效地减少磁铁在储存环上占据的长度, 为插入件安装节约空间, 需要将两种磁铁所实现的功能组合在一块磁铁上. 在HEPS 上将采用具有超高梯度的二、四极组合磁铁(见图 7), 其物理设计和加工制造的要求都非常高, 只有通过深入的优化设计和严格的加工工艺, 才能保证磁场的不同分量能够同时满足磁聚焦结构设计的要求.

  • 磁场测量及一致性研究.

针对超高梯度四极磁铁及二、四极组合磁铁的磁场测量, 需要研制新的高精度测磁系统, 以适应超高梯度磁场及组合磁场测量的特殊需求. 另外, 新一代光源对磁铁磁场一致性的要求非常高, 这对磁铁的加工、装配和测量等各个环节都提出了极高的要求. 通过研制两块完全相同类型的磁铁, 并对磁场进行重复性测量和比对测量, 来研究磁铁制造的各个环节对最终磁场的影响, 从而对磁铁的制造工艺进行规范, 以确保多块磁铁性能的一致性.

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7 (网络版彩图)超高梯度二、四极组合磁铁极面轮廓示意图

Figure 7 (Color online) The pole profile of ultra high gradient dipole/qrudrupole combined function magnet.

4.2.2      磁铁电源系统

HEPS 将采用全数字化控制技术的高精度稳流电源, 将电流纹波控制在 5 ppm 以下, 因此 HEPS 验证装置磁铁电源系统需要开展以下项目的研究.

  • 高精度模数转换器的应用设计.

高精度稳流电源对环境温度的变化要求较严, 而数字化电源闭环反馈调节电路中的高精度模数转换器是整个电源控制系统中唯一的温度敏感器件. 如何对高精度模数转换器进行恒温控制及强抗干扰能力的电路设计, 是保证电源稳定输出的关键. 通过该项技术的研究, 期望最大程度地降低高精度电源对室温环境温度的要求, 以降低电源厅通用运行设计的成本. 预期HEPS 验证装置电源对室温要求不高于目前北京正负电子对撞机的水平(±3°C).

  • 超高精度电流/电压转换(I/V)电路.

HEPS 磁铁电源拟采用电流型直流传感器. 与电压型直流传感器相比, 电流型直流传感器可减小电源体积, 并降低成本 90%左右. 使用电流型直流传感器, 必须研制高稳定性及高准确度的I/V 转换电路(长期稳定度优于 2 ppm, 准确度优于 25 ppm).

  • 高精度全数字化稳流电源样机.

研制若干台不同规格高精度全数字化稳流电源样机.

4.2.3      插入件系统

HEPS 是一台高性能同步辐射装置, 为向用户提供更优异特性的光源, 从而满足更广泛的用户需求, 高性能插入件技术的发展至关重要, 也是保证 HEPS 先进性的关键. HEPS 的时间分辨 X 射线光束线和综合实验站、核共振&X 射线非弹性散射线站等光束线站对高性能插入件都提出了明确的需求, 低温波荡器 (Cryogenic Permanent Magnet Undulator, CPMU)(见图 8)和超导波荡器两种类型的先进插入件都能很好地满足相应束线的性能要求. 从插入件技术国际发展态势及技术难度、相关关键技术及工艺发展等多方面因素考虑, 插入件系统将优先开展具有优异低温特性的镨铁硼低温波荡器样机的研制. 伴随着各学科领域技术的不断成熟, 以及相关关键技术研究的开展将成为下一步对超导波荡器关键技术掌握的良好铺垫, 将为高能同步辐射光源插入件的长远发展、光源特性的进一步提升及对用户需求的进一步满足奠定坚实的基础.

插入件系统的研制内容主要是镨铁硼低温波荡器样机的研制.

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8 (网络版彩图)(a)  低温波荡器磁测总图; (b)  低温波荡器运行总图

Figure 8 (Color online) (a) CPMU in vacuum low temperature measurements; (b) CPMU on operation.

4.2.4      束流测量系统

HEPS 储存环的发射度小于 0.1 nm·rad, 相应的束团尺寸在微米量级, 要求束流位置测量和束流截面尺寸测量的精度均在亚微米量级, 难度很大, 需要提前研制. 同时, 储存环内可储存的束团数目很多, 不可避免的会有耦合束团不稳定性, 需要数字反馈系统予以抑制, BEPCII 时代只研制过模拟系统, 数字系统需要研制. 以下对各个子系统分别叙述.

  • 束流位置测量系统.

HEPS 储存环束流的尺寸最小值约为 3 mm, 要求束流位置探测器的分辨率达到 0.1 mm 量级, 轨道控制精度为 0.3 mm 量级. 因此,  需要建造一套包含探头、电子学、标定系统、真空盒以及支架主体结构的束流位置探测器系统, 并且需要一个模拟隧道温度和振动等基本实验条件的环境来研究如何实现上述要求的束流位置探测器位置分辨率和束流轨道控制精度.

  • 同步光束流截面测量系统.

HEPS 要求束流垂直发射度在 0.005 nm·rad, 束团截面在 3  mm 量级,  要求同步光测量系统分辨率在300  nm 量级,  目前在此量级的测量方法有如下几种:

X  射线菲涅尔波带片聚焦成像方法、 X  射线K-B(Kirkpatrick-Baez)反射镜聚焦成像方法、多层膜X 射线聚焦成像方法、复合折射透镜 X 射线聚焦成像方法. 这几种方法都基于X 射线的聚焦成像, 关键技术包括 X 射线的真空引出、高性能单色器滤光、X 射线聚焦、X 射线成像; 不同在于聚焦过程采用的光学元件不同.  目前根据国外相关研究的经验,  在 300nm 分辨率量级, 采用K-B 反射镜聚焦的方法最佳(见图 9). 此测量系统包括的几部分关键技术目前国内都处于初级阶段,  为了能够实现高分辨、稳定、实时的测量系统, 其中的原理、经验、设备等需要更详细精确的掌握.

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9  X 射线 K-B 成像系统简图(CCD 电荷耦合元件)

Figure 9 Imaging system based on the K-B mirrors (Charge-Coupled Device, CCD).

  • 束流反馈系统.

HEPS 储存环中会有成百上千个束团, 这些束团内部电子的相互作用、束团电子在真空管道内激发的电磁场和轨道附近束缚的离子的相互作用都将会引起束流的不稳定性. 由于这些作用来自束团自身, 与外加的电磁场无关, 因此是不可避免的. 其中, 以多束团耦合不稳定性最为严重. 为了抑制多束团的耦合不稳定性, 需要采用高速、宽带和大功率的数字逐束团束流反馈系统. BEPCII 中我所曾设计和运行过模拟系统, 但对于数字系统尚无经验, 需要研制以掌握其关键技术.

4.2.5      高精度准直安装系统

HEPS 储存环的四极、六极等磁铁将采用共架支撑的形式进行安装与调整. 共架单元的预准直安装精度要求小于 30 mm, 以保证磁铁的最终定位精度. 要实现这一目标, 需要采用基于磁中心测量的振动线准直技术(见图 10), 该技术国内缺乏相关研究和应用经验, 需要通过验证装置的研究来掌握.

为了确保束流轨道的稳定性, 磁铁支架要求具备程序控制下的高精度调整功能, 能够根据运行束流的位置, 进行实时带束调整, 从而提高磁铁的定位精度, 并进一步提高束流品质. 因地面的沉降、周围地面的移动、流体引起的振动和环境温度的变化等都会对共架系统的机械稳定性产生影响, 也需要仔细研究和设计共架单元的抗振性能和减振措施.

4.2.6      高频系统

HEPS 储存环拟采用 7 台 500 MHz 超导高频腔为束流提供最大 1  MW  高频功率,  每台超导腔由 200kW 的全固态高频功率源驱动;  增强器采用5 台 5-cell型高频腔, 由 5 台 50 kW 的全固态功率源来驱动.

固态高频功率源具有允许不间断长期运行、无超高真空、高压电源、维修简单、不必长期保存昂贵的速调管备件、总体造价低等优点. 用固态高频功率源替代传统的速调管功率源是世界各个加速器实验室的发展趋势. 目前固态功率源已经在欧洲光源ESRF、法国光源 SOLEIL、巴西光源等大型加速器装置上应用及发展.

目前, 500 MHz 频段和 2×50 kW 功率的固态源总成尚无应用先例, 需要通过预制研究掌握核心技术.

4.2.7      储存环恒流注入系统

为了提高供光效率, 第三代同步辐射光源的储存环加速器普遍采用恒流注入. 若HEPS 采用7BA 磁铁聚焦结构, 束流动力学孔径很小, 只能采用在轴注入方案, 而不能采用偏轴注入方案, 如: 传统的局部脉冲凸轨注入和近两年提出的脉冲六极磁铁注入.

如图 11 所示, 所谓在轴注入, 就是注入束经过一组快速冲击磁铁偏转后直接进入到储存环中心轨道上, 取代已衰减的循环束, 实现恒定流强, 被替换出来的循环束在注入的同时被引出储存环. 在轴注入冲击磁铁要求冲击脉冲的上升/下降时间很短, 避免对相邻的循环束造成扰动. 条带线冲击磁铁(Strip-Line Kicker)可以满足纳秒量级(<10 ns)的上升/ 下降时间, 该技术的难点在于冲击磁铁的驱动电源上, 即纳秒量级的高压快脉冲电源.

  • 条带线冲击磁铁.

条带线冲击磁铁是一种利用逆向行进的电磁波来偏转束流的冲击磁铁, 这种冲击磁铁已经不是传统意义上的冲击磁铁, 而是一个微波器件, 因此, 在物理与结构设计上和传统冲击磁铁有很大的不同, 必须更多的借鉴微波器件的设计方法.

条带线冲击磁铁的两个正负高压电极与真空管分别构成了两段平行的条带传输线, 通常将条带线及高压穿墙件设计成 50 Ω 的阻抗, 与高压脉冲驱动电源、传输线以及终端负载构成一完全匹配的微波传输系统. 在物理设计方面还要优化电极的截面形状, 以获得更大的几何因子和足够宽的好场区及场均匀性. 此外在结构设计方面, 要重点解决 10–20 kV 脉冲高压的绝缘问题.

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10 (网络版彩图)振动线准直与共架单元模型

Figure 10 (Color online) Vibrating wire alignment & magnet-girder assembly.

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11 (网络版彩图)三种注入方案布局示意图

Figure 11 (Color online) Three typical injection systems layout.

  • 纳秒级快脉冲电源.

条带线冲击磁铁的难点在于纳秒级高压快脉冲电源, 通常要求输出脉冲幅度>±15 kV(50 Ω 负载),脉冲上升/下降时间<5 ns, 脉冲平顶宽度>6 ns. 可采取基于射频 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 的感 应叠 加电 路或 基于DSRD(Drift Step Recovery Diode)新型半导体断路开关的脉冲调制器电路实现.

4.2.8      真空系统

为了提高真空系统的抽气效率, 减小真空泵所占用空间, 需要在真空盒内表面镀一层 Ti-Zr-V 吸气剂膜. 在小孔径的弯转真空盒镀吸气剂膜, 需要解决Ti-Zr-V 磁控溅射阴极制备, 阴极在真空盒中安装、固定、绝缘和密封, 螺线管磁场的建立, 镀膜方法和工艺参数的确定, 以及吸气剂膜的性能测试等一系列技术难题.

4.2.9      隧道环境试验系统

HEPS 对一些主要设备都有极高的精度要求, 如磁铁及其支架、电源、光束线、束测系统以及相关的电子学和仪器. 同时, 还必须考虑这些设备的周边环境温度、湿度、地基振动、设备冷却水温度等外界条件的变化量对这些设备精度产生的影响. 为此需要建立一个模拟未来 HEPS 主体设备安装环境的隧道环境试验系统(恒温间), 将研制设备安装在隧道环境试验系统内, 测试环境温度变化对于上述设备产生的影响(见图 12). 通过在隧道环境试验系统内对这些设备进行实际试验, 可以初步判断未来隧道是否需要超高标准的要求, 可为未来HEPS 通用设施的建造提供有参考价值的设计依据和较准确的经费预算.

光束线和实验站方面拟开展的关键技术的研究和验证工作如下所述.

4.2.10      高性能单色器关键技术研究

单色器是光束线的核心部件, 对光束线的性能起着十分重要的作用. 对于不同实验技术, 对单色器的要求也各不相同, 针对 HEPS 线站需求和国内现状, 开展高能量 X 射线单色器、高能量分辨单色器和低温冷却双平晶体硅单色器的研制.

  • 高能量X 射线单色器.

HEPS 将提供 100 keV 以上, 最高可达 300 keV 的高能单色光. 由于镀膜对高能 X 射线反射效率大大下降, 传统的准直/聚焦镜难以实现对高能量 X 射线的准直和聚焦, 因此, 高能单色器须能同时担负准直、单色、聚焦等多重任务, 这就需要针对高能单色器设计和制造中面临的技术难题开展研究, 并结合HEPS 的设计指标, 研制一台可用于高能 X 射线光束线的单色器样机(见图 13).

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12 (网络版彩图)(a)试验隧道结构立体示意图; (b)试验隧道布局示意图

Figure 12 (Color online) (a) 3D structure diagram of test facility tunnel; (b) layout diagram of test facility tunnel.

  • 高能量分辨单色器.

作为 HEPS 先进性的标志之一, HEPS 将提供能量分辨率达毫电子伏的高能量分辨单色光用于非弹性 X 射线散射和核共振散射实验. 由于高能量分辨单色器的光路、结构和能量扫描方式等都迥异于传统的单色器, 使得原有的单色器设计经验和技术都难以满足新光源的需要, 需通过研究发展新的技术并加以验证(见图 14).

  • 低温冷却双平晶体硅单色器.

在 HEPS 的光束线上要批量使用低温冷却双平晶体硅单色器, HEPS 的高热负荷对单色器的设计带来了很大的挑战. 通过对关键技术的研究, 解决其热不稳定性、机械不稳定性和振动不稳定性等问题, 自主研制出高水平的低温冷却双平晶体硅单色器. 通过这些研制工作, 不仅可提高光束线的光学性能和后续发展能力, 还有助于降低光束线的建造成本.

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13 (网络版彩图)弧矢聚焦劳埃型高能单色器示意图

(Rowland 圆为罗兰圆)

Figure 13 (Color online) A sketch of saggittal focusing Laue monochromator for high energy X-ray.

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14 (网络版彩图)高能量分辨单色器光路示意图

Figure 14 (Color online) The optical layout of high energy-resolution Monochromator.

4.2.11      高面形精度光学元件压弯和检测技术

低发射度光源的性能优势在于高亮度、高空间相干性和高空间分辨能力, 这些优势的发挥取决于同步辐射在束线传输中一系列光学元件的面形精度. 为了使同步辐射在传输和调制过程中保持其相干性, 并能实现光源极限水平的聚焦, 对光学元件提出了极其苛刻的要求, 较理想的面形精度达 0.05 mrad. 国际上的光学元件加工、压弯和检测技术在不断地积极发展, 但目前均没有达到这个水平.

  • 高面形精度光学元件压弯.

为了更好地发挥光源性能, 要求镜子的压弯面形是椭柱面, 并且压弯面形精度应在现有技术水平上尽量提高. 现有的对称压弯镜子的圆柱面偏离理想的椭柱面, 其像差造成很大的聚焦光斑的弥散, 也破坏了光的相干性. 即使不考虑像差, 目前传统的圆柱面压弯方式也只能达到 2 mrad(RMS)的主流精度水平, 需要通过关键技术研究, 在获得椭柱面压弯的同时使压弯面形精度达到 1 mrad(RMS)(见图 15).

  • 高精度光学部件面形检测技术.

高能光源需要大量高精度的光学元件, 光学元件研制最终所能达到的品质很大程度上取决于检测能力. 在包括反射镜、单色器在内的高面形精度光学元件的加工、装卡、压弯和冷却等关键技术的研究过程中, 都需要高精度的面形检测技术作为支撑. 因此, 研制百纳弧度精度水平的长程面形仪及纳米精度水平的拼接干涉仪等面形检测设备是十分必要的(见图 16).

4.2.12      微纳聚焦光学元件

实现硬 X 射线纳米级聚焦光斑及高能 X 射线微米级聚焦光斑是HEPS 优越性能的重要体现(见图 17), 而如何获得高质量的微纳聚焦光学元件则是其关键所在, 也是未来各大同步辐射装置所面临的共同挑战.

在硬 X 射线纳米聚焦领域, 比较有希望得以实现的光学元件有多层膜劳埃透镜、复合折射透镜和K-B 聚焦镜三类, 但目前都面临着一系列的技术挑战.

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15 (网络版彩图)高精度椭圆压弯镜

Figure 15 (Color online) The diagram of high precision elliptical bend mirror.

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16    (网络版彩图)高精度长程面形仪

Figure 16 (Color online) The diagram of high precision long trace profiler.

 

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17 (网络版彩图)(a) X 射线纳米聚焦示意图; (b) 高能 X 射线微米聚焦示意图

Figure 17 (Color online) (a) The scheme of the optics for the hard X-ray nanofocusing; (b) the scheme of the optics for the high energy X-ray microfocusing.

相对而言, 基于波带片原理的多层膜劳埃透镜技术风险小, 性价比高, 更容易实现 30 nm 以下的硬X 射线聚焦光束. 在高能X 射线聚焦领域, 复合折射透镜具有其他光学元件无法比拟的技术优势. 通过特殊的加工工艺制备的高性能复合折射透镜, 将能使高能 X 射线光斑聚焦至百微米甚至数微米以内. 通过这些关键技术的研究和部件的研制, 将可提升我国高性能 X 射线聚焦元件的自主设计与研制能力, 也将有力的推进 X 射线研究在相关科学前沿领域的发展.

4.2.13      纳米定位与扫描装置

在HEPS 的一些光束线和实验站中, 需要具有纳米量级空间分辨的能力.  要达到这一目标,  除了要将X 射线聚焦到纳米尺寸外, 还需要具有纳米精度的样品定位、对准和移动装置(见图 18). 对于装置本身, 主要的技术挑战是要求在大的动态范围和快速运动条件下, 定位精度在纳米量级, 而对应的分辨率为几个纳米水平. 这些要求需要对装置的结构、光学对准校正以及材料做特殊的设计和选择. 另外, 更复杂的要求是多自由度定位(位置和角度)运动的同步. 即使是二维直线运动, 这种定位和扫描装置的性能也已经远超出了目前国际上商业标准产品的技术指标极限. 此外, 该装置对工作环境的要求也极为苛刻, 建立一个与之相适应的实验室和监测手段是必不可少的.

4.2.14      X 射线时间分辨实验技术

X 射线实验方法能直接提供原子分辨空间结构和丰富的电子结构信息, 而同步辐射所具备的皮秒脉冲、广谱 X 射线范围和高稳定 X 光源特性, 使其成为研究动态结构变化的最有吸引力的光源之一, 因此, 超快 X 射线实验方法发展是同步辐射和 X 射线自由电子激光应用的重要方向. 针对各领域的实际研究对象, 实现皮秒分辨结构分析的 X 射线泵浦- 探针实验技术是 HEPS 的主要特色之一(系统构成见图 19). X 射线时间分辨实验技术将以高重复频率泵浦-探针(pump-probe)探测为目标, 全面掌握激光与X 光的同步定时、超快激光系统设计优化、超快 X  射线探测和采集以及束团注入测控等关键技术, 实现皮秒超快 X 射线探测.

4.2.15      高性能 X 射线二维像素阵列探测器

高性能二维探测器是同步辐射 X 射线探测的核心部件之一, 其性能直接决定了实验数据的信息量和可靠性. 拟对用途广泛且几乎没有商用产品的高帧率 X 射线二维像素阵列探测器开展研制工作. 以自主研发为主, 研制高空间分辨、高传输速度、低噪声、高探测效率的 X 射线二维像素阵列探测器系统, 通过研制过程掌握相关核心技术, 重点突破和掌握专用集成电路电子学系统芯片的设计、快速读出、大规模高密度点阵封装技术、二维半导体像素阵列传感器芯片研制等关键技术.

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18 (网络版彩图)聚焦组合位移台(MLL 多层膜劳埃型透镜, OSA 光阑)

Figure 18 (Color online) Nanopositioning stage (MLL Multi-Layer Laue Lens, OSA Order Sorting Aperture)

 

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19 (网络版彩图)高重复频率泵浦-探针超快 X 射线探测系统构成框

Figure 19 (Color online) Layout of high repetition rate laser-pump/ X-ray-probe ultrafast X-ray system.

4.2.16      极端高压下的动态测量技术

HEPS 的高性能X 射线为开展极端条件下的研究提供了很好的条件. 在计划新建的 HEPS 上, 除了建造数条专用的极端条件光束线和实验站外, 还将在许多实验站上引入极端条件, 包括高压、高温、低温、强磁场以及这些条件的集成. 处于极端环境下的样品受到尺寸、形状、空间等的诸多限制, 因此,  相对于常规条件下的实验来说, 极端环境下的光路准直和实验技术更加复杂, 尤其是在极端高温高压下的原位测试以及动态加载下的信号获取, 都有很大的挑战性, 需要对一些关键的技术进行探索.  项目研究将以探测材料在高压/高温条件下的动态变化过程为目标, 挑战基于静态压力下的动态加载技术、快速加温技术以及在这些条件下的原位 X 射线探测技术(见图 20).

4.2.17      工程材料实验线站的关键技术验证装置

材料科学研究的根本目的在于通过科学设计成分、组织和结构, 优化高效的制备加工工艺, 获取满足各种服役条件需求的先进材料. 因此, 研究发展包括材料成分、组织结构、制备工艺、加工成型、服役行为一体化的全寿命周期理论、方法与技术, 建立材料组织结构的精确表征和服役全寿命周期评价方法, 为材料设计、组织优化、安全服役提供理论支撑和实验基础, 对于发展新型结构和功能材料、提高工业装备安全服役保障能力, 支撑国民经济安全健康发展, 具有重要的意义.

由于制备过程的工艺特性和遗传特性、加工过程的强约束作用和交互作用、服役过程的经时非线性特性和多场耦合作用, 使得材料的服役性能与其成分、组织、结构形成极为复杂的构效关系.

HEPS 具有穿透力强、分辨率高、超快等特点, 将为构建“在真实条件下实时研究真实材料的真实过程 ”(Real process for Real materials in Real conditions and Real time, 4R)的实验研究平台——工程材料实验线站创造强有力的支撑条件. 为此, HEPS 验证装置项目将开展工程材料实验线站的关键技术验证装置研制工作, 旨在于突破工程材料实验线站建设的系列关键技术, 发展适用于材料在制备、加工、服役失效过程中动态、实时、原位、无损、高灵敏、高时空分辨的检测、分析和成像方法和技术, 实现材料相变和结构转变过程的原位观察、材料复杂大变形过程的原位表征、复杂多场耦合环境下材料服役性能演变的原位监测和材料-环境相互作用的动态过程光谱-电化学原位测量, 为开展材料“制备-加工-服役”的全寿命周期过程研究, 探索材料在“亚微观-微观-介观-宏观”多尺度下的成分、组织、结构与服役性能的构效关系, 揭示以原子尺度萌生-微观尺度扩展-宏观尺度失效为特征和尺度-时间(离散-连续)序列复合过程为特点的材料失效过程和机理, 奠定坚实的先进实验技术基础.

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20    (网络版彩图)高压/高温条件下动态变化过程的原位 X 射线探测系统(DAC 金刚对顶砧)

Figure 20 (Color online) In situ measuring system for dynamic processes under the extreme conditions of high pressure and high temperature (Diamond Anvil Cell, DAC).

4.2.18      新型实验技术验证系统

HEPS 的高性能对光束线和实验站上的主要设备提出了极高的要求, 同时我们缺少相关的工程实施经验. 为此需要建立实验技术验证系统, 尽量真实地模拟未来HEPS 的工作状态, 对光束线和实验站的主要设备进行验证. 通过实际试验, 可以明确相关设备的设计要求, 为未来的建造提供有参考价值的设计依据和较准确的经费预算.

我们计划在现有的 BSRF 上安装一个超导扭摆器插入件(见图 21), 来获得验证光束线和实验站上样机的 X 射线. 根据 BSRF 的参数, 我们将建设一台峰值场强为 3.5 T 以上、6 周期的超导扭摆器, 能够产生高于 800 W 的热负载, 在 100 keV 处能够得到 5´1011 phs s-1 mrad-2 (0.1%BW)-1 的通量,  完全能够满足高性能单色器的工程验证条件, 以及为时间分辨、极端条件、探测器等样机的验证提供平台. 当然验证装置还要完成相应的前端区建设.

由于 BSRF 是 BEPCII 的同步辐射专用模式, 而BEPCII 同时可以为高能物理实验提供对撞束流, 所以其储存环束流的发射度较大, 使得超导扭摆器的极面间距达到了 68 mm, 这为插入件的物理设计、磁场优化和低温系统设计都带来了困难.

同时 HEPS 将是一台电子能量高且发射度极低的同步辐射光源, 它提供的高亮度、高相干性的高能硬 X 射线使一系列新型实验技术成为可能. 其中, X 射线衍射和成像这两种同步辐射的基本实验方法的深度融合尤其引人关注, 这种融合催生的最重要的新型实验方法是相干 X 射线衍射成像(CDI, Coherent Diffraction Imaging) 和衍射衬度断层成像(DCT, Diffraction Computer Tomography). CDI 提供了对非晶体样品开展超高空间分辨率成像研究的前景, 可以获得非晶体样品3–5 nm 空间分辨率的3D 结构, 对于纳米材料、生物材料以及细胞生物学的研究具有重要意义. DCT 可以无损高分辨地获得块体多晶材料中众多晶粒的三维形状、晶面取向、应力分布、晶界类型及其三维分布等重要信息. DCT 是研究多晶材料晶粒晶界尺度三维(3D, three Dimensions)微结构及其在加工、服役过程中在载荷与环境作用下的演化与失效的理想方法, 可为多晶材料的高效精确设计和安全服役提供关键信息. DCT 使用高亮度高能X 射线的衍射进行成像, 特别适合对真实的多晶材料开展原位实时的无损高分辨研究.

需要基于验证装置, 建立一套与HEPS 性能相适应的新型衍射成像装置(见图 22), 以便开展关键实验技术研究, 全面掌握衍射成像中的数据采集和处理, 信息分析和相位恢复, 以及图像断层和 3D 重建等关键技术, 验证相关新实验技术的可行性和适用性. 这是保证 HEPS 建成后, 能够充分发挥其高亮度、高相干性、高能硬 X 射线优势, 将同步辐射衍射成像这一新型实验技术应用于用户研究的必要措施.

5 项目现状

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21 (网络版彩图)超导扭摆器三维模型

Figure 21 (Color online) The superconducting wiggler 3W1.

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22 (网络版彩图)拟建立的衍射成像系统示意图主要由光强监测、入射光阑、多维高精度样品台、高分辨大视场面探测器和数据处理分析系统构成(拟建的衍射成像系统不包含图中的     双平晶单色器)

Figure 22   (Color online) Diagram of the diffraction contrast tomography system, including intensity monitor, slits, sample stage, 2D detector   and data processing system.

高能同步辐射光源验证装置是《国家重大科技基础设施建设中长期规划(2011-2030)》“十二五”期间重点建设的大科学工程项目之一. 项目的主要目的是针对高性能高能同步辐射光源的建设和运行所需的关键技术进行预制研究和工程验证, 为在“十二五” 末期或者“十三五”初期正式建设高能同步辐射光源奠定坚实的基础, 同时推动我国加速器、同步辐射光束线和实验站技术进入国际先进行列. 目前, 验证装置工程的前期准备工作已经全面展开, 国家发改委正在组织有关专家对项目建议书进行评审. 预期年内完成各项评审工作后, 2016 年将完成高能光源验证装置的工程建设, 同时争取尽快启动中国高能同步辐射光源的建设工程.

一台储存环电子能量为 5  GeV,  发射度好于 0.1nm·rad 的高能同步辐射光源 HEPS, 在其周长约为1300 m 的储存环上, 具备建设 90 条以上高性能光束线站的容量.  这个光源的发射度能够进一步降低到0.01nm·rad 以获得更高的亮度, 达到衍射极限光源的水平. 这个设计将能够保证我们建设的光源在未来很长时间内都能够居于世界上亮度最高的光源之列.

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