上海光源建设历程及其发展现状.pdf

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 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 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 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 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、高频发射机功率9 0 0kW;在国际上首次实施了储存环先用常温高频腔进行调束,通过束流清洗超高真空系统后,再用超导高频腔进行调束和运行的调束方式,有效地提高了调束效率和保持超导高频腔的高性能品质;(3)真空内波荡器是决定中能第三代同步辐射光源能否产生可与高能光源相比的硬X射线的关键设备,其结构复杂、工艺难度高,是集高精度磁体、超高真空、精密机械传动和控制等多项高技术于一体的光源设备,相关技术在国内尚属空白;上海光源真空波荡器的最小工作磁间隙7mm、最大峰值313 第3期徐洪杰等:上海光源建设历程及其发展现状磁场强度0.9 5T;研制中成功解决了设计、模型试制与组装试验、磁体表面处理、磁场测量与垫补等多个环节中的问题,在国内首次建成了两台真空内波荡器,用于生物大分子的微聚焦光束线分析。表2 上海光源储存环调束与国外最先进的两个中能光源的比较T a b.2 B e a m c u r r e n t t u n i n g o f t h e s t o r a g e r i n g o f S S R F c o m p a r e d t o 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光源名称建造开始时间首圈完成耗时/d储存环建成耗时/d达1 0 0mA耗时/dS S R F2 0 0 7-1 2-2 10.131 3D i a m o n d2 0 0 6-0 5-0 412 56 8S o l e i l2 0 0 6-0 5-0 682 15 7在上述一系列关键技术创新的基础上,通过系统集成创新,在预安装、现场试安装的基础上精心总装、科学联调,保证了储存环上各关键设备机械安装精度好于0.1 5mm,电气系统1 0万多个电缆连接零差错的工艺质量。创造了一系列世界领先建设与调束速度(表2):(1)自开工建设3年内,实现了储存环出光;(2)自调束开始6 0h实现束流储存;(3)仅两星期实现1 0 0mA运行,而国际上通常要23个月才能达到1 0 0mA。上海光源储存环的主要性能均达到或优于设计指标,使上海光源成为国际上总体性能指标领先的第三代同步辐射光源之一。2)突破兆瓦级大功率磁铁能量回收、薄壁长真空室制造与全数字化电源高精度升能跟踪等技术难题,建成我国第一台2H z增强器,整体性能达到世界同类装置先进水平,满足上海光源储存环注入需求上海光源增强器由一台周长1 8 0m的同步加速器主环,一条2 0m长的低能输运线和4 5m长的高能输运线组成,重复频率2H z,自然发射度1 0 0n mr a d。上海光源2H z同步加速器是我国自行设计和建造的首台亚秒级高能电子同步加速器,其设计和制造面临巨大挑战。在解决了一系列关键技术的基础上,通过高精度的安装准直等系统集成创新,建成世界上第一个“无校正子运行的增强器”,达到国际先进水平。主要的技术创新包括:(1)国内首次研制成功增强器兆瓦级储能型大功率动态磁铁电源,采用双回路磁铁功率回收再利用控制技术,可将磁铁回吐的电能全部回收在电容器内,供下个周期重新利用,电网侧的功率因数高达0.9 6,对电网的扰动小于5%,有效解决了快同步加速器升能过程中存在的大功率能量吞吐对电网及其他电子设备的影响;二极与四极磁铁动态电源间的跟踪精度好于0.1%;(2)研发出一套拉拔不锈钢管、压制椭圆管及弯曲椭圆管的不锈钢薄壁真空室制作工艺,成功突破0.7mm薄壁不锈钢真空室加工成型技术难题,解决了升能过程中涡流产生的感应磁场对主磁场的影响;(3)自主研发了数字信号处理器(D i g i t a l S i g n a l P r o c e s s o r,D S P)全数字运算和数字脉冲宽度调制(P u l s e W i d t h M o d u l a t i o n,PWM)波形发生技术的数字化电源控制器及数字化调节开关电源,使2 0 0多台中小功率磁铁电源达到高性能指标。3)解决了3GH z加速管、5 0 0MH z次谐波聚束器和高稳定大功率调制器等直线加速器关键技术难题,研制成功我国第一台皮秒级单束团直线加速器,为高效稳定注入提供了保证1 5 0M e V电子直线加速器是上海光源的预注入器,由一个脉冲电子枪、一个次谐波聚束器、一个基波聚束器和4根加速管组成。为了实现高效注入,要求直线加速器可以提供高性能的皮秒级单束团。皮秒级单束团直线加速器的研制在国内尚属首次,面临许多挑战。在解决了一系列关键技术的基础上,建成性能指标达国际先进水平的皮秒级单束团直线加速器。解决的关键技术包括:(1)国内首次研制成功铜质高Q次谐波聚束器。通过腔型优化设计、外加磁场等措施破坏二次电子倍增的共振条件,彻底解决了高Q值铜腔的二次电子倍增效应难题,得到了高纯度的单脉冲电子束团;(2)国内首次 研制成功29 9 8MH z行波基波聚束器和29 9 8MH z等梯度行波加速管。通过计算、优化、加工和调试,聚束器和加速管的研制达到了预期目标;(3)攻克了超高电压、超大电流和超短脉冲成型的技术难关,在国内首次研制成功高压恒流电源充电型大功率(1 1 0MW)脉冲调制器。2.2 突破第三代光源高性能光束线站建设的技术瓶颈,大幅提升了我国同步辐射束线光学技术能力和实验水平 光束线站的功能是对同步辐射光进行准直、单色化、聚焦等处理将其高效率地传输到实验样品,并通过各类探测器采集数据,用于相关领域的实验研究。第三代光源的特点是高亮度和高通量密度,对应的实验方法也要求有更高的空间分辨、更快的时间分辨以及更精细的能量分辨。对光束线技术而言,高通量密度就意味着高热负载和光学元件的热形变、热损伤。上海光源光束线站优化设计中充分考虑了高热413复 旦 学 报(自然科学版)第6 2卷负载条件下发展超高空间(n m)分辨、超高能量(M e V)分辨、高相干性等前沿实验方法的需要,首批线站设计指标均达到国际上同类线站的最好水平。面对光束线工程的全新挑战,上海光源工程技术人员解决了一系列关键技术难点,成功发展和建立了一系列先进的测试方法与实验手段,为高水平用户开放提供了重要保障。1)发展光束线高热负载热缓释技术,系统解决了光学元件的热形变与热损伤问题第三代同步辐射光源的高亮度和高通量,在光学元件上会产生高功率的热负载,对光学元件的性能和使用寿命有极大的影响。上海光源波荡器和扭摆器产生的同步光热功率密度和总功率分别可达到3 7kW/(mr a d2)和1 0kW,在光学元件上的最高热功率密度可达1 0 0W/mm2(与电弧焊的功率密度相当)。此前国内没有第三代同步辐射光源的高热负载热缓释经验,发展此项技术的主要难点在于集高热功率、微小形变、运动机构、狭小空间条件于一体,且冷却结构复杂、类型众多。工程人员从零开始,在充分吸收国外先进经验的基础上,结合国内的加工能力与上海光源的实际情况,建立了数值模拟与公式外推相结合的高效设计方法和设计平台。主要包括:1)设计过程中探索出数值模拟边界条件的有效解读方法和有限元分析(F i n i t e E l e m e n t A n a l y s i s,F E A)判据,解决了小空间、高精度条件下高效冷却结构的设计问题;2)创造性地采用“凹”型冷却结构实现高功率密度平面镜冷却,有效地降低了热形变对平面光栅单色器能量分辨率的影响;3)设计了新型的单色器晶体水冷结构,在解决晶体热负载的同时,有效降低了水流导致的振动影响,实现了单色器的高能量分辨率和高稳定性;4)成功解决了扭摆器光束线高导热系数碳滤波器(4 0级)、光子挡光器、固定光阑、白光狭缝、滤波器、铍窗、反射镜和单色器等光束线关键部件的热缓释问题,实现了光学元件热形变的高效、精密缓释。让热形变均控制在12r a d以内,保障了光束线的高效光传输能力和高稳定性。2)攻克了软X射线光束线高能量分辨的多项技术难点,实现了超高灵敏光谱分析能力光束线的能量分辨决定了实验站的光谱分辨能力,是谱学研究的核心指标,是实现元素化学特性高灵敏度分析的关键因素之一。高分辨软X射线光栅单色器技术一直为国外少数公司垄断,直接采购价格十分昂贵。上海光源完全依靠国内技术力量,通过设计与加工密切结合、联合攻关,攻克了软X射线超精细能量单色化这一国际上公认的技术难题。在研制过程中,建立的关键技术成果有:(1)超高真空环境中的高精度机械传动技术,光栅调节机构精度优于0.1 5弧秒,平面镜优于0.1 1弧秒;(2)采用超高真空环境中的高热负载光学元件的特殊内部水冷技术,保证了可变入射角平面镜的热形变全程优于2r a d;(3)超高精度安装、调试技术。自主研制成功的平面光栅单色器,其能量分辨率在2 4 4 e V处达到1 7 9 0 0(光子能量分辨为1 4m e V),居世界领先水平。近4年的运行结果表明,该单色器性能稳定可靠,为光束线站的高效运行开放提供了重要技术支撑。3)攻克了X射线光学诸多技术难点,实现了反射镜超高精度面形检测与纳米尺度光束聚焦大尺度、非球面超高精度光学检测是第三代同步辐射光束线工程必须具备的技术,否则无法保证光学元件的高效传输性能。长程面型仪是同步辐射X射线光学元件最有效的检测仪器,国际上已有仪器对环境变化非常敏感,要求的测试条件非常苛刻。上海光源自行设计研制的长程面型仪,在国际上首次创造性地采用位相板衍射光束精确测定束斑位置,从原理上克服了基于干涉原理面型仪的缺点,大幅降低了环境因素等对测量精度的影响。研制成功的长程面型仪可在普通实验室达到国际上同类仪器在0.1恒温室内方可达到的测量精度,具有明显的优越性。该设计原理已被国际上其他同步辐射装置采用,例如:美国、英国和德国等相关同步辐射装置新发展的长程面型仪都采用此原理研制。以此为基础,发展了具有国际领先水平的大尺度、非球面光学检测技术,为实现纳米级光束聚焦技术奠定了坚实的基础。纳米尺度空间分辨技术是纳米材料结构表征、细胞功能成像等重要研究领域非常独特而强大的研究手段,用户需求十分迫切。实现硬X射线纳米尺度聚焦需要采用多级聚焦技术。波带片聚焦技术是实现纳米聚焦的关键一环,需解决好于1 0 0n m的系统稳定性、纳米尺度高精度对准、水平和垂直方向焦点不重合校正、纳米光斑测量等技术难题,上海光源采用高稳定机械结构设计、辅以光学修正的优化方案,成513 第3期徐洪杰等:上海光源建设历程及其发展现状功实现了1 0 0n m硬X射线光束聚焦,大幅提升了我国同步辐射空间分辨能力,达到国际先进水平。而在软X射线波段,利用波带片技术实现了优于3 0n m的空间分辨。4)采用创新的光束线设计,建成国际领先行列的生物大分子晶体学光束线上海光源生物大分子晶体学光束线是我国大陆第一条基于第三代光源的此类线站,而国际第三代光源上已建成以及正在建造的生物大分子晶体学光束线总计达9 0多条,面对快速增长的用户群体与迫切需求,如何支撑我国科学家在结构生物学前沿这一竞争十分激烈的领域开展高水平研究工作,对线站的建设提出了严峻的挑战。生物大分子晶体学光束线在国际上首次采用了超环面镜侧向反射双向聚焦的创新设计,有效地消除了聚焦镜面形误差对垂直方向聚焦光斑尺寸的影响,可实现光源点亮度的高效率传输。与通常的超环面镜上下反射聚焦方式相比,在所采用的聚焦镜面形误差为2r a d的条件下,亮度传输效率可提高3倍,成为国际上性能最好的生物大分子晶体学光束线之一,在样品处的X光亮度比我国已有的第二代光源的同类光束线提高一万倍以上,大幅提高了蛋白质结构测定的分辨率与效率。根据国际网站(h t t p:b i o s y n c.s b k b.o r g)发布的统计数据,2 0 1 2年利用该线站测定的蛋白质结构数就达到2 0 1个,单个线站测定结构数在亚太地区遥遥领先、在全球1 3 0多条生物大分子光束线站中名列第三。2.3 攻克上海软土地基微振动对束流轨道稳定控制带来的严峻挑战,综合采取多种有效措施,在上海光源上实现了亚微米电子束流轨道稳定度和光束位置稳定度 同步辐射的亮度和光强稳定度决定着实验的分辨率,这使得储存环束流轨道稳定性和同步辐射光束位置稳定度成为第三代同步辐射光源中最重要的性能指标。然而,有多种因素会影响束流轨道稳定度和光斑稳定度:(1)自然和人类活动引起的地基微振动;(2)装置本身产生的磁铁和束流位置探测器等设备的微振动;(3)磁铁电源电流纹波;(4)高频相位与频率变化;(5)束流位置探测器等设备的流强依赖效应;(6)恒温水温度变化与空气温度变化;(7)同步辐射热负载随流强的衰减效应;(8)储存环聚焦结构放大效应等。需要特别关注的是上海光源面临着国际上其他光源所没有的重大难题:上海光源所处浦东张江高科技园区为软土地基,岩石上的土 壤厚度为3 0 0m,其场 地地基微振 动高达0.7 6 8m(嘈杂 时段)和0.2 5 9m(安静时段),高出上海光源束流轨道稳定性和光束位置稳定性对微振动幅值最低要求一倍多,远远大于国际上同类装置的微振水平。在这样的软土地基上建造亚微米轨道稳定性要求的第三代同步辐射光源,在国际上尚属首次,无经验可以借鉴。1)发展了软土地基微振动控制技术、高本征频率储存环磁铁支架技术,采取振源控制和隔离措施,有效降低了地基和设备微振动幅度综合考虑支架、磁铁、真空室和聚焦结构动力学等的微振放大效应,亚微米轨道稳定对基础微振控制标准为:安静时段频率11 0 0H z的垂直方向振动均方根位移Dz0.1 5m,嘈杂时段Dz0.3m。上海光源基础面积大,超过1h m2,减振隔振难度大,周边交通和城市建设造成的微振动也不可忽视。光源装置本身带有大功率水泵和压缩机等振源设备,安装在机械支架上的储存环磁铁和真空室等设备带有复杂的冷却水回路,机械支架的微振放大特性和冷却水管路中的水流速控制和优化也是至关重要的。为控制储存环磁铁等元件微振动引起的束流轨道变化,上海光源从理论分析、数值模拟、各种工况动态测量研究等方面研究了减振的机理和技术:(1)针对本工程基础微振控制要求高的情况,首次建立和应用了软土地基微振设计计算方法,发展了以结构减振为核心的微振动综合控制技术,采用深4 8m、直径0.60.9m、间距35m的桩底后注浆的钻孔灌注桩,加1.4 5m厚钢筋混凝土底板,形成满足变形和微振要求的光源地基基础;(2)依据实验研究测试结果,实施了对光源南北两条道路的允许通行车辆吨位小于2.5 t的控制,有效地抑制了振源;(3)成功研制固有振动频率高于2 0H z的多种机械磁铁支架,采用特殊材料和结构成功研制的高稳定束流位置探测器支架为轨道反馈提供了稳定的参考点;(4)将机械泵和压缩机等振源设备移出环外5 0m、控制冷却水流速小于2m/s及增加软管连接等。通过上述技术措施取得了减振和隔振的显著效果:(1)光源储存环隧道底板微振幅度降低到0.2m(嘈杂时段)和0.1m(安静时段);(2)磁铁支架、磁铁与束测元件的微振幅度与隧道底板相当。在此基础上,研究了刚性基础613复 旦 学 报(自然科学版)第6 2卷底板的微振动相干特性以及聚焦结构中磁铁分组支撑改善地基振动对束流轨道扰动的作用,为方案选择和提高储存环轨道稳定性提供了依据。2)发展了大规模冷却水温度与超大复杂空间环境温度高精度控制技术,减小了冷却水和环境温度变化对束流轨道的影响上海光源储存环束流轨道稳定性要求其工艺冷却水温度稳定度好于0.1,周长4 3 2m的隧道内环境温度的长期稳定度优于0.2。储存环冷却水系统总热负载为2.8MW,空调系统总热负载为5 0 0kW,沿隧道非均匀分布。上海光源依据装置设备的布局和特性,在冷却水系统设计和实施中,解决了多回路冷媒匹配、负载扰动和冷媒扰动等多项技术难题,采用三级调节方法对水温进行精确调控,实现了工艺冷却水温度稳定度长期保持在0.1以内的目标。在空调系统设计中,采用数值模拟分析方法,研究隧道内设备分布、工作模式、发热量对环境温度变化的影响规律,为系统设计提供理论依据;依照设备特性及隧道特殊空间状况,合理安排风管布局、尺寸、风口数量,设置监测点位置,确定最优控制算法,并采用在出口处加设高精度电加热二次调节等手段,实现了优于0.2的隧道空气温度长期稳定度指标。3)研制数字化磁铁电源、数字化高频低电平控制和定时等系统,在国内大型加速器中首次大规模采用全数字化高精度诊断与控制技术,提高了束流轨道稳定度采用数字化加速器技术可大幅提升光源束流轨道稳定性等总体性能指标。经过自主研制和引进消化,上海光源全面大规模地采用数字化诊断与控制技术:(1)磁铁电源的稳定性和电流纹波也是影响束流轨道的重要因素。为此,上海光源研制了数字调节的高精度数字化电源,在国内大科学装置上率先全面使用数字化电源技术。电源开机重复性优于5 01 0-6,长期稳定性达到2 01 0-6,电流纹波优于1 01 0-6,分辨率达到1 01 0-6,其优异的性能保证了储存环的轨道稳定性。(2)在国内率先研发了数字化高频低电平系统,相位稳定度0.5、幅度稳定度0.5%,优于设计要求,是世界上首次在专用同步辐射光源上应用的数字化低电平系统。(3)束流位置测量精度和轨道反馈决定最终的轨道稳定度,在国内首次采用全数字化束流位置测量系统,其测量分辨率达到百纳米量级。自主研发成功的数字化全局快速轨道反馈系统,其系统性能达到国际先进水平。(4)自主设计了基于高速串并转换技术及现场可编程门阵列(F i e l d P r o g r a mm a b l e G a t e A r r a y,F P GA)高精度定时系统,其触发信号晃动(j i t t e r)小于1 0p s(r m s),系统性能达到国际领先水平。目前,这项技术已经成功用于韩国P L S-I I光源定时系统。4)突破恒流注入技术难题,有效降低了流强效应对光束位置稳定性的影响储存环中的电子束有一定的束流寿命,流强将随时间连续衰减,这将引起储存环和光束线有关部件的热负载变化,从而导致束流轨道变化。此外,束流位置探测器的流强依赖效应也会