上海光源建设历程及其发展现状.pdf
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1、 文章编号:0 4 2 7-7 1 0 4(2 0 2 3)0 3-0 3 1 0-1 2收稿日期:2 0 2 3-0 4-0 1作者简介:徐洪杰,男,研究员,E-m a i l:x u h o n g j i e s i n a p.a c.c n上海光源建设历程及其发展现状徐洪杰1,肖体乔1,2(1.中国科学院 上海应用物理研究所,上海 2 0 1 8 0 0;2.中国科学院 上海高等研究院,上海 2 0 1 2 0 4)摘 要:鉴于第三代同步辐射光源的重要科学意义和应用前景,1 9 9 5年初,杨福家院士、谢希德院士联名向上海市政协递交 关于在上海建造第三代同步辐射光源 的提案。2 0
2、0 4年1月7日,国务院第3 4次常务会议批准通过了上海光源工程项目建议书,上海光源正式进入建设程序。3 0 0多人的光源团队,在3 0 0多个单位的协助下,经过大规模技术攻关与系统集成,于2 0 0 9年4月按期、高质量地完成了装置建设。2 0 0 9年5月6日,上海光源首批线站正式对用户开放,并于2 0 1 0年1月1 9日正式通过国家验收。国家验收委员会认为,工程承建单位(中国科学院上海应用物理研究所)按计划、按指标、高质量地完成了工程建设任务。上海光源以世界同类装置最少的投资和最快的建设速度,实现了优异的性能,成为国际上性能指标领先的第三代同步辐射光源之一,是我国大科学装置建设的一个成
3、功范例,也是中科院与上海市院市合作的成功典范。截止2 0 2 2年1 2月3 0日,已有国内外37 9 5个课题组、7 72 3 4人次利用上海光源开展了科学研究,在基础研究和产业研发中取得了一系列国际领先的研究成果,上海光源已成为不可或缺的国家大科学平台。到2 0 2 3年底,上海光源将有3 5条实验线站投入运行,支撑多学科跨越发展和创新突破,为提升我国科技领域的核心竞争力做出新的更大的贡献。关键词:同步辐射;上海光源;光束线站中图分类号:O 4 3 文献标志码:A同步辐射是由以接近光速运动的电子在磁场中作曲线运动改变运动方向时所产生的电磁辐射,其本质与我们日常接触的可见光和X光一样,都是电
4、磁波。由于这种辐射是1 9 4 7年在同步加速器上被发现的,因而被命名为同步辐射(S y n c h r o t r o n r a d i a t i o n)。由于同步辐射造成的能量损失极大地阻碍了高能加速器能量的提高,因此在早期同步辐射被作为高能物理极力要排除的因素。后来,人们发现同步辐射具有常规光源不可比拟的优良性能,如高准直性、高极化性、高相干性、宽的频谱范围、高光谱亮度和高光子通量等。从2 0世纪7 0年代开始,发达国家逐步开展了同步辐射的应用研究,其卓越的性能为人们开展科学研究和应用研究带来了广阔的前景。因此,在几乎所有的高能电子加速器上都建造了同步辐射线站,以及各种应用同步辐射
5、光的实验装置。到2 0世纪8 0年代末,各国竞相建造的第三代同步辐射光源的束团发射度降低到5 1 2n mr a d,配合插入件(波荡器和扭摆器)的大量使用,将同步辐射光谱的亮度进一步提高到1 01 71 02 0p h o t o n s/(smm2m r a d20.1%BW),且光子能量和偏振可调。高亮度的第三代同步辐射光源使得同步辐射应用从过去静态的、在较大范围内平均的手段,扩展为高空间分辨和快时间分辨手段,发生了质的飞跃,为众多的科学技术研究领域带来前所未有的新机遇。随着材料科学、能源科学、结构生物学、环境科学、地质科学等研究领域的蓬勃发展,国际上X射线特别是硬X射线能区的用户急剧增
6、加,高性能同步辐射装置建设方兴未艾。欧洲、美国、日本在同步辐射装置的建设和应用方面处于国际领先地位,一些新兴工业化国家和地区,甚至少数发展中国家(如亚美尼亚、中东)也陆续建设了第三代同步辐射光源。鉴于第三代同步辐射光源的重要科学意义和应用前景,1 9 9 3年1 2月,丁大钊、方守贤、冼鼎昌三位中科院院士建议“在我国建设一台第三代同步辐射光源”。1 9 9 4年3月1 0日,中国科学院上海原子核研究所(时任所长为杨福家院士)向中国科学院和上海市人民政府提出了 关于在上海地区建设第三代同步辐射光源的建议报告。1 9 9 5年初,杨福家院士、谢希德院士联名向上海市政协递交 关于在上海建造第三代同步
7、辐射光第6 2卷 第3期2 0 2 3年6月复 旦 学 报(自然科学版)J o u r n a l o f F u d a n U n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e)V o l.6 2 N o.3J u n.2 0 2 3源 的提案。1 9 9 5年3月,中国科学院与上海市人民政府商定,共同向国家建议,在上海建设一台第三代同步辐射装置。由中国科学院组织实施可行性研究,成立了上海光源(S h a n g h a i S y n c h r o t r o n R a d i a t i o n F a c i l i t y,S S R
8、F)可行性研究工作组,负责实施上海光源建造的可行性研究。1 9 9 9年至2 0 0 1年,完成了上海光源的一期预制研究。2 0 0 1年,上海光源建设工程未能如期立项,从下半年开始,中国科学院继续组织实施了二期预制研究工作。2 0 0 4年1月7日,国务院第3 4次常务会议批准通过了上海光源工程项目建议书,正式进入建设程序;2 0 0 4年1 2月2 4日,中国科学院批复上海光源国家重大科学工程开工报告。2 0 0 9年4月2 9日,上海光源工程竣工开放典礼举行。2 0 0 9年5月6日,上海光源首批线站正式对用户开放。1 上海光源概况上海光源(S S R F)是第三代中能同步辐射光源,其性
9、能居国际前列,是由中国科学院与上海市人民政府共同建造的国家重大科学工程,也是上海市“科教兴市”首批重大产业科技攻关项目,由中国科学院上海应用物理研究所(项目法人单位)承建。上海光源坐落在浦东张江高科技园区的张衡路2 3 9号,占地面积约2 0h m2(3 0 0亩)。上海光源是我国设计建造的第一台第三代同步辐射装置,也是我国迄今建成的规模最大的国家重大科学装置,总投资1 4.3亿元。它由周长4 3 2m的储存环、1 5 0M e V直线加速器、3.5G e V增强器、首批7条光束线站以及配套的公用设施等组成,包含高频、磁铁、电源、真空、束线光学等2 0个技术系统。上海光源有各类设备3 0 0
10、0多台/套,超高真空管道1 0 0 0多米长,设备控制通道1 5万个,总配电功率为2 0MVA。作为国家大科学平台,上海光源在科学界和工业界有着广泛的应用价值。它具有建设6 0多个光束线站的能力,可以提供从红外到硬X射线的广谱同步辐射光,具有波长范围宽、高强度、高亮度、高准直性、高偏振与准相干性、可准确计算、高稳定性等一系列比其他人工光源更优异的特性,可用于生命科学、材料科学、环境科学、信息科学、物理学、化学、医学、药学、地质学等多学科的前沿基础研究,以及微电子、医药、石油、化工、生物工程、医疗诊断和微加工等高技术的开发研究。上海光源历经十年优化设计和预制研究,于2 0 0 4年1 2月2 5
11、日正式破土动工,建设周期5 2个月。中国科学院和上海市人民政府高度重视、积极组织、认真实施,成立了工程领导小组、工程指挥部和工程经理部,建立了一套灵活有效的工作机制,聘请了国内相关学科资深专家组成的科学技术委员会为工程提供科技咨询与指导,同时还聘请了工程总顾问等专家咨询团体。由承建单位中科院上海应用物理研究所和参建单位上海市建委组成的工程经理部,负责具体建设和研制工作。工程建设队伍内部成功地实践了先进、高效的矩阵管理,按工程总体、分总体和系统分解工程任务,以技术部及专业组为单元承担任务;工程实施中实行分级管理、分级负责、分级控制,提高了工作效率并确保了工程质量。工程经理部严把设计、研制、加工与
12、采购、安装等各个环节的进度与质量。工程经理部十分重视工艺设计,只有工艺设计评审通过后才能开始设备采购与非标加工。工程经理部对重要设备或大宗设备均设定了样机、首件、小批量、批量等多个环节的质量控制,每个阶段都需国内外专家评审通过后才能进入到下一阶段。对增强器、储存环、光束线前端区进行了集成单元试安装与试联调,通过试安装与试联调积累经验,发现并解决设备设计与研制中的不合理之处,进一步完善工艺设计。工程经理部还制定了详细的关键路径管理(C r i t i c a l P a t h M a n a g e m e n t,C PM)计划并严格执行、及时更新;对于关键路径上的设备制订备用方案,一旦发现
13、重大问题立即启动,以确保总体进度。这样的精心设计、精心组织和精心施工确保了建成后的上海光源是国际上最好的同步辐射装置之一。上海光源的成功建成离不开国内外科技界与加工厂家的通力合作。充分广泛的国际合作使得上海光源的总体设计能够在吸收国际同步辐射界最新成果的基础上更上一层楼,也使得上海光源在研制过程中能够顺利地克服一个个技术难关。国内数十所高校和科研机构以及数百家企业参与了工程的论证、研制和攻关。3 0 0多人的光源建造团队,在3 0 0多个单位的协助下,经过大规模技术攻关与系统集成,于2 0 0 9年4月按期、高质量地完成了装置建设,并于2 0 1 0年1月1 9日正式通过国家验收。国家验收委员
14、会认为,工程承建单位(中国科学院上海应用物理研究所)按计划、按指标、高质量地完成了工程建设任务。上海光113 第3期徐洪杰等:上海光源建设历程及其发展现状源以世界同类装置最少的投资和最快的建设速度,实现了优异的性能,成为国际上性能指标领先的第三代同步辐射光源之一,是我国大科学装置建设的一个成功范例,也是中科院与上海市院市合作的成功典范。上海光源坚持自主创新,在诸多方面实现了创新和突破,自主研制的设备超过7 0%,有力地推动了国内相关科学和技术的发展。2 性能指标和技术创新先进的中能第三代同步辐射光源(电子束能量2.54.0G e V)是当前国际同步辐射装置发展的主流,因其优异的综合性能和极高的
15、性价比成为世界各发达国家竞相建造的对象,也是同步辐射装置竞争最为激烈的领域。上海光源是我国自主设计建设的第一台、也是国际上最早建设的一批中能第三代同步辐射光源之一。上海光源以世界同类装置最少的投资和最快的建设速度,实现了优异的性能,成为国际上性能指标领先的中能第三代同步辐射光源之一。在关键的性能指标方面,实现了在3.0G e V标称能量下在已建成的世界中能光源中自然发射度最小。上海光源的先进性能体现在以下若干方面:性价比高:储存环的能量为3.5G e V,在中能区光源中能量最高,性能优化在用途最广的X射线能区。利用近年来插入件技术的新进展,不仅可在光子能量为15k e V产生最高亮度的同步辐射
16、光,而且在52 0k e V光谱区间可产生性能趋近68G e V高能量光源所产生的高亮度硬X光。波长范围宽:从远红外到硬X射线,且连续可调。利用不同波长的单色光,可揭示其他光源无法探知的科学秘密。高强度:总功率为6 0 0kW,是X光机的上万倍。光通量大于1 01 5p h o t o n s/(s1 0-3BW)。高强度和高通量为缩短实验数据获取时间、进行条件难以控制的实验以及医学、工业应用提供了可能。高亮度:其亮度是最强的X光机的上亿倍,主要光谱覆盖区的光亮度为1 01 71 02 0p h o t o n s/(smm2m r a d21 0-3BW)。高亮度为取得突破性科技成果提供了高
17、空间分辨、高动量分辨和超快时间分辨的条件。优良的脉冲时间结构:其脉冲宽度仅为几十皮秒,可以单束团或多束团模式运行,相邻脉冲间隔可调为几纳秒至微秒量级,能为研究化学反应动力学、生命活动、材料结构演化和大气环境污染过程等提供正确可信的数据。高偏振:上海光源在电子轨道平面上放出的同步光是完全线极化的,而离开电子轨道平面方向发射的同步光则是椭圆极化的,因而是研究具有旋光性的生物分子、药物分子和表现为双色性的磁性材料的有力工具。准相干:上海光源从插入件引出的高亮度光具有部分相干性,为众多前沿学科的显微全息成像分析开辟了道路。高稳定性:可以长时间提供稳定束流,光束位置稳定度达到亚微米水平。高效率:可建设近
18、6 0条以上光束线站,给用户的年度供光机时将超过50 0 0h,每天可容纳几百名来自海内外不同学科领域或公司企业的科学家/工程师,夜以继日地在各自的实验站上使用同步辐射光。灵活性:光源可运行于单束团、多束团、高通量、高亮度和窄脉冲等多种模式,可依据用户需求快速变换运行模式,以满足用户的多种实验需求。上海光源研制过程中,自主研发了近百项关键技术,有力地推动了我国相关科学技术的发展,其主要创新成果包括下面3个方面。2.1 通过低发射度储存环、2H z增强器和单束团直线加速器的5 0多项关键技术突破和系统集成创新,建成了整体性能水平进入国际领先行列的上海光源,使我国光源亮度提高了4个量级 上海光源加
19、速器是决定其总体性能的核心装备,它由电子储存环、增强器和直线加速器组成。直线加速器产生高性能单脉冲电子束团并利用3GH z微波加速到1 5 0M e V。增强器以2H z的重复频率把来自直线加速器的电子束加速到3.5G e V,然后注入到低发射度电子储存环中做回旋运动并辐射同步光。低发射度213复 旦 学 报(自然科学版)第6 2卷储存环、2H z增强器和单束团3GH z直线加速器的设计与建造在国内均属首次,面临众多技术难题。1)突破低发射度储存环非线性动力学瓶颈、在最优化能量区间完成系统的方案优化,攻克系列核心关键技术难题,通过重大系统集成创新,使上海光源的总体性能指标步入国际领先行列(中能
20、光源中能谱最宽、3G e V能量下发射度最小、性价比最高)亮度和光子能区是决定光源先进性的最核心总体性能指标。储存环的发射度和能量决定着同步辐射光源的亮度和光子能区,也决定着光源的造价。为了满足硬X射线用户的需求,2 0世纪9 0年代,欧洲、美国、日本先后建成了3台68G e V、周长在0.81.4k m的高能同步辐射光源。这样的光源每台造价在1 0亿美元左右,绝大多数国家和地区无力拥有。随着加速器技术的发展,人们开始探索利用中能(2.54.0G e V,标称值3.0G e V)低发射度储存环和真空内波荡器的高次谐波在1 02 0 k e V光子能区产生亮度可与高能光源接近的同步辐射X射线,以
21、期在较小的投资规模下,得到高性价比的光源。在相对较小的周长(即投资较小)和留有尽可能长的用于安装插入件的直线节长度的条件下,如何设计出可获得尽可能低发射度的磁聚焦结构方案是低发射度储存环面临的巨大挑战。储存环的发射度越低要求磁聚焦结构的聚焦作用越强,其色品校正六极磁铁及磁铁的多极场误差产生的非线性效应就越强,由此导致储存环中电子能够稳定运行的动力学孔径就越小,如果优化不好,就无法注入束流或者束流寿命不能达到运行要求。上海光源是最早设计的第三代中能光源之一。根据中国国情,兼顾高能光子能区的需求,选择3.5G e V中能储存环;采用有4个1 2m的长直线节和1 6个6.5m的标准直线节的双弯铁消色
22、散(D o u b l e B e n d A c h r o m a t,D B A)结构;使用独特的非对称谐波六极磁铁布局以合适的相位补偿高阶共振驱动项,表1 上海光源总体性能指标与国外最先进的两个中能光源的比较T a b.1 C o m p a r i s o n o f m a i n p a r a m e t e r s b e t w e e n S S R F a n d t h e t w o m o s t a d v a n c e d m e d i u m-e n e r g y l i g h t s o u r c e s a b r o a d光源名称环周长/m
23、自然发射度(理论极限值)束流能量/G e V自然发射度/(n mr a d)S S R F4 3 2.00.6 43.52.8 83.02.1 2D i a m o n d5 6 1.61.4 13.02.7 0S o l e i l3 5 4.10.6 92.7 53.7 3并率先提出动力学孔径和能量接受度直接目标优 化,巧 妙 地 结 合 频 率 调 制 分 析(F r e q u e n c y M o d u l a t i o n A n a l y s i s,FMA)及多目标遗传算法(M u l t i-O b j e c t i v e G e n e t i c A l g
24、o r i t h m,MOGA)孔径优化等先进方法完成了非线性动力学优化,解决了注入效率低和束流寿命短的问题。此外,还综合优化了光子能区分布、匹配波荡器产生高亮度辐射的直线节长度和束流参数。通过上述创新的设计,上海光源实现了中能区能量最高、在中能光源中覆盖能谱最宽、自然发射度与理论极限值之比国际最小、在3.0G e V标称能量下的已建成的世界中能光源中自然发射度最小(2.1 2n mr a d),性能价格比最好(表1)。上海光源储存环由十多个主要技术系统构成,涉及超高真空、高精度磁铁与电源、高功率超导微波、液氦低温、脉冲高压与脉冲磁铁、高稳定和高精密机械、高精度束测、大型装置控制,以及高性能
25、插入件(包括扭摆器和波荡器)等。上海光源对这些技术系统的性能指标要求比之前中国建设的同类装置均高出一个量级以上。根据光源技术发展前沿和上海光源预制研究的最新成果,确定先进技术方案和技术路线,攻克了上述一系列技术难关,成功研制出国际先进或领先水平的高性能技术装备。主要关键技术创新包括:(1)国内首次研制成功大型双室不锈钢超高真空室,其结构复杂并采用光子吸收器集中吸收同步辐射功率,研制中掌握了不锈钢真空室成型、焊接、矫形、表面处理和超高真空获得等关键技术,实现了总长4 3 2m的大型真空系统内静态真空度好于21 0-8P a;(2)上海光源储存环采用3套大型超导高频系统,最高加速电压6MV、高频发
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