上海粒子加速器大科学装置概述.pdf

先进粒子加速器包括射频直线加速器和环形同步加速器等,不仅极大地加速了人类从核物理迈向基本粒子物理的进程,而且同时派生出了同步辐射光源、自由电子激光、质子/重离子治疗仪等一批涉及生命科学、材料科学、能源科学、物理学、化学和医学等重大前沿学科研究和应用的大科学装置。上海已经成为我国并且正在成为国际上先进加速器科学中心之一,本文概述性地介绍上海先后建成的第三代同步辐射光源、软X射线自由电子激光装置、先进质子治疗装置、以及正在建设的硬X射线自由电子激光,并对上海未来粒子加速器学科和大科学装置的发展方向做出总结和展望。关键词:粒子加速器;大科学装置;同步辐射;自由电子激光;质子治疗装置中图分类号:TN 2 4 8 文献标志码:A1 粒子加速器的作用粒子加速器(简称加速器)是一种用人工方法产生和加速带电粒子束的装置。粒子加速器不仅是核物理、粒子物理(高能物理)等基础研究的重要实验工具,而且还在与生命健康、食品加工、工业制造、安全检测、能源和环境监测等领域相关的国民经济和社会发展中得到广泛应用。粒子加速器是多种科学技术的综合体,涉及粒子动力学、微波、磁铁、电源、测控、低温超导、精密加工、超高真空等物理和多方面专业技术。随着科技创新,粒子加速器不断突破加速原理、技术和经济上的种种限制而飞速进步。近一个世纪以来,粒子加速器已经发展成为能够加速电子、正电子、质子、反质子、重离子等各种带电粒子,具有静电、回旋、感应、同步、射频直线等多种加速器类型,规模大到2 7k m、小到桌面化的实验装置,大大推动人类科技进步和生活水平提高,同时还培养出了一大批高水平科技创新人才。科技是国家强盛之基,创新是民族进步之魂。面对百年未有之大变局,科技创新成为国际战略博弈的主要战场,围绕科技制高点的竞争空前激烈。2 0 2 0年9月1 1日习近平总书记在科学家座谈会上,对科学家和广大科技工作者提出明确要求:“坚持面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康,不断向科学技术广度和深度进军。”而粒子加速器本身及其服务的众多学科前沿领域正是“四个面向”的典型代表。面向世界科技前沿,粒子加速器助力基础研究。人们为了认识微观物质世界,不断发展粒子加速器用于基础研究。多年来,我国发展了正负电子对撞机、重离子加速器、同步辐射光源、散裂中子源、自由电子激光(F r e e E l e c t r o n L a s e r,F E L)重大科技基础设施,我国科学家利用这些设施取得大批原创性成果,比如借助上海同步辐射光源(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,简称“上海光源”)我国科学家在实验中成功发现凝聚态物质中“幽灵粒子”外尔费米子(W e y l f e r m i o n),率先解析出人源葡萄糖转运蛋白的三维晶体结构。目前,上海硬X射线自由电子激光(S h a n g h a i H i g h r e p e t i t i o n r a t e X F E L a n d E x t r e m e l i g h t,S H I N E)、北京高能同步辐射光源和合肥先进同步辐射光源等一批大科学装置的建设如火如荼,将进一步推动我国“从0到1”的基础研究进入国际先进行列。面向经济主战场,粒子加速器推动高质量发展。粒子加速器用于辐照加工、无损探伤、离子掺杂、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刻等工业领域。比如,离子注入机用于制造智能手机和半导体,使金属、陶瓷和玻璃饰面硬化。粒子加速器还应用于核电站中反应堆控制和加速离子的惯性约束核聚变等,是促进我国能源转型和国民经济发展的一个可能的重要技术手段。作为在上海的一个实践,上海应用物理研究所的纳米加速器技术实现了成功的转移转化,成就了我国辐照产业的迅速发展。面向国家重大需求,粒子加速器突破关键核心技术。粒子加速器广泛应用于航空航天、材料科学等领域,促进多种尖端科技发展。比如电子束辐照可使材料在极端温度下更耐用,更耐腐蚀。科学家利用上海光源发展了高效催化剂和高性能材料;利用散裂中子源检测出航空发动机核心部件 叶片的内部应力数据,支撑解决国产叶片的材料设计、制备和加工工艺。此外,基于粒子加速器的先进光源还有望产生高平均功率的极紫外光,为光刻机光源的制备提供新的技术路线。对标国际先进水平,瞄准解决“卡脖子”关键技术问题,是粒子加速器发展的必由之路。面向人民生命健康,粒子加速器惠及民生服务社会。粒子加速器产生的电子、质子、重离子等束流可用于肿瘤治疗或靶向放疗、疾病诊断、辐照消毒和环境监测等方面。上海光源支撑中国科学家在国际上率先破解多种病毒结构与研制新药和疫苗等,取得了一系列重大成果。2 0 2 2年9月,国产首台质子治疗仪上海质子治疗装置获批上市,标志着我国高端医疗设备国产化又迈出了历史性的一步,这对于打破国外质子治疗技术垄断,提升我国医学肿瘤诊疗手段和水平,具有重大意义。此外,新冠疫情期间,加速器辐照装置为医疗防护设备提供快速高效灭菌,为打赢疫情阻击战贡献了重要力量。人民对美好生活的向往,其最基本的需求就是生命健康,加速器在生命健康领域还有诸多前沿问题需要探索,需要加快成果的现实转化,为人民幸福生活做出新贡献。2 上海同步辐射光源经典电磁理论早在十九世纪末就预言,带电粒子平衡态运动发生改变时会向四周发射电磁辐射,进一步研究可知,相对论情况下的带电粒子在磁场中发生偏转时,其发射的电磁辐射集中在粒子运动方向上一个非常小的立体角内。1 9 4 7年,人们在一台电子同步加速器中首次观察到了人造的这种电磁辐射,因此将其命名为同步辐射。同步辐射的优异特性,特别是亮度高、高准直性,以及光谱连续可调等逐渐被人们认识。二十世纪六十年代,科学家开始在粒子物理研究用到的电子同步加速器/储存环上进行同步辐射应用研究,并获得了良好的成果,此后于七十年代前后开始建设专用于同步辐射实验的电子储存环光源。习惯上,人们将在粒子物理研究加速器上寄生或兼用的光源称为第一代同步辐射光源;将主要利用二极铁产生同步辐射的专用加速器装置称为第二代同步辐射光源;而将基于低发射度电子储存环和主要依靠安装在储存环中的周期性磁场结构(波荡器或扭摆器,即插入件)发光的加速器装置称为第三代同步辐射光源。第三代光源是同步辐射光源发展的一次飞跃,在完成了关键技术攻关后,于九十年代初开始陆续建成并投入使用。同步辐射因其不可替代的特征,在前沿科学研究和产业研发方面发挥了非常重要的作用。相比于前两代光源,第三代同步辐射光源因更高的亮度、更小的光斑,极大提升了实验的时间和空间分辨率,为研究更精细更复杂的物质结构和动态过程提供了有利的技术支持。2.1 上海光源为提升我国基础科学研究和产业研发的综合水平,方守贤、丁大钊和冼鼎昌院士等老一辈科学家从1 9 9 0年代初开始积极推动在我国建设第三代同步辐射光源。1 9 9 5年2月杨福家院士会同谢希德院士和王志勤先生等上海市政协委员在上海市政协八届三次会议上,提交了“在上海建造第三代同步辐射光源”的提案,得到了上海市政府的积极支持。1 9 9 5年3月,中国科学院和上海市商定,共同向国家建议建设第三代同步辐射光源 上海同步辐射装置。上海光源于2 0 0 0年选址浦东新区张江高科技园区,在完成了预制研究和方案优化设计后1,于2 0 0 4年1 2月2 5日正式动工建设。经过紧张、高效的建设和调试后,2 0 0 7年1 2月2 4日,上海光源发出第一缕同步辐射2。2 0 0 9年上海光源加速器和首批束线站完成了调试,各项性能均达到或优于设计指标3-4,并于5月6日正式对用户开放。英国自然杂志随即报道:上海光源的建成标志着中国加入了世界级的同步辐射俱乐部,从破土动工到储存环出光仅三年,创造了同步辐射装置建设的世界纪录5。在为运行开放进行的国际评审中,评审委员会认为上海光源的建设速度和492复 旦 学 报(自然科学版)第6 2卷质量均处于国际顶级水平,为未来的同类装置建设确定了一个更高的标准。如图1所示,上海光源定位为高性价比的第三代中能同步辐射光源,电子束流能量为3.5G e V,光谱亮度优化在13 0k e V的X射线能区。借助于先进的插入件,可利用光谱覆盖从真空紫外线波段到光子能量为1 0 0k e V的硬X射线波段之间的广阔范围。在此基础上,该光源又利用边缘辐射和超导扭摆器辐射等技术将辐射光谱拓展到了红外波段,将X射线波段的最高光子能量提高到了1 5 0k e V以上。此外,上海光源还利用激光电子束康普顿散射手段将辐射拓展到了0.2 52 5M e V的伽马射线能区6。上海光源服务的科学研究领域包括物理学、化学、生物学、环境科学、材料科学、生命科学和医学,以及制药、考古、文化遗产保护、工业加工、石油化工等。基于国内科研用户群体广泛且深入的讨论结果,上海光源工程首批建设了7条光束线站,包括利用二极铁发光的X射线衍射和小角散射光束线站,利用扭摆器发光的X射线成像及生物医学应用和X射线吸收精细结构光束线站,利用真空内波荡器发光的硬X射线微聚焦和生物大分子晶体学光束线站,以及利用椭圆极化波荡器发光的软X射线谱学显微光束线站。正式运行后的上海光源,由相关科研院所加盟,又相继建造了蛋白质设施5线6站、梦之线和光电子能谱等8条束线1 1个实验站。2 0 1 6年上海光源线站工程(二期)开工建设,建设内容不仅包括新建一批光束线站,还包括与之相关的光源性能拓展、用户和技术支撑实验室以及大数据中心建设、配套的建安和公用设施建设等。2 0 1 9年起,随着一批新线站陆续建成,上海光源的实验能力得到了大幅度提升。目前,上海光源已有2 9条束线和4 3个实验站投入实验运行,为国内外用户的实验研究提供服务。图1 上海光源俯瞰图F i g.1 A i r v i e w o f 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上海光源加速器装置包括一台直线加速器,一台增强器,一台储存环,以及两条束流传输线,如图2(见第2 9 6页)所示。直线加速器用来产生电子束流,并将其加速到1 5 0M e V,电子束通过低能束流输运线被注入到增强器中。增强器是一台周长为1 8 0m的同步加速器,用来将来自直线加速器的电子加速到3.5G e V。加速后的电子束流经过一条高能输运线后注入到储存环中。储存环同样是一台同步加速器,但不再进一步提升电子束的能量,仅积累和储存束流并补偿因同步辐射造成的电子束能量损失。电子束流以恒定的能量在储存环中循环,不断地穿过二极偏转铁和插入件并同时向光束线提供准确、稳定的同步辐射。上海光源储存环周长为4 3 2m,全环由2 0个结构基本相同的双弯铁消色散(D o u b l e B e n d A c h r o m a t,D B A)磁聚焦单元组成7。全环共有4段长为1 2m的长直线节和1 6段6.5m长的标准直线节,除去注入系统和高频系统占用的两段长直线节外,其余均可以安装插入件向束线提供同步辐射。电592 第3期赵振堂等:上海粒子加速器大科学装置概述子储存环中辐射阻尼与量子激发效应之间的平衡态物理机制,使得电子束发射度几乎完全由储存环的束流能量和聚焦结构来确定。上海光源储存环的聚焦结构经过精细的设计与优化,束流发射度降低到了3.94.2n mr a d。在3 0 0mA流强下,高性能波荡器发出的X射线亮度最高可超过1 02 0p h o t o n s/(smm2m r a d20.1%BW),扭摆器产生的X射线最高通量可接近1 01 6p h o t o n s/(s0.1%BW)。图2 上海光源加速器装置示意图F i g.2 D i a g r a m f o r a c c e l e r a t o r c o m p l e x o f 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从2 0 0 9年5月正式对国内外用户开放至今,上海光源已高性能稳定地运行了十余年。光源每年开机约70 0 0h,其中用户实验供光时间约为50 0 0h,供光期间的开机率可长期维持在9 8%左右。上海光源支撑我国科学家面向世界科技前沿,面向国民经济主战场,面向国家重大需求,面向人民生命健康开展高水平科学研究,每年接待用户50 0 060 0 0人次,服务20 0 0项左右的科学实验,用户实验成果逐年提升。我国科学家借助于上海光源的强大支撑力量,每年发表的期刊论文可超过10 0 0篇,其中在N a t u r e、S c i e n c e、C e l l等国际顶级期刊上的成果长期保持在每年1 02 0项之多,在生命科学、物理学、化学、材料、能源和环境科学等多个学科前沿基础研究和高新技术研发以及重大关键攻关等方面,获得了一批具有国际影响力的研究成果,有力地推进了相关学科的发展。包括甲烷高效转化研究、人源葡萄糖转运蛋白结构的获得、外尔费米子的发现、三重兼并费米子的发现和硅藻捕光机制研究等在内的上海光源用户成果,分别有9项和6项入选历年的中国科学十大进展或中国十大科技进展新闻。上海光源在我国科研事业发展上展现出的强大助力也进一步推动了我国包括同步辐射光源在内的大科学装置的发展。2.2 上海光源线站工程上海光源促进了国内众多学科领域的发展,作为多学科综合研究平台的重要性已得到广泛认同。随着同步辐射实验研究在国内基础科学研究和高新技术开发方面起到的支撑作用日益凸显,上海光源首批线站和后续运行的用户线站已远远无法满足用户实验申请量、机时量等需求。同时还有很多新发展的先进同步辐射实验方法缺乏相应线站的支撑,以至于相关科学研究工作在上海光源上还无法开展。上海光源储存环共有1 8段可安装插入件的直线节和2 0个二极铁光源点,首批线站和后续用户线站仅占用了其中一小部分。为了充分发挥上海光源多学科综合研究平台的作用,满足我国科技创新发展的需要,为众多领域的前沿科学技术研究提供国际上最先进的同步辐射实验手段,2 0 1 6年1 1月2 0日上海光源正式开始了由国家、中国科学院和上海市共同投资的二期工程(上海光源线站工程)建设。上海光源线站工程以国家中长期科技发展规划为导向,以助力解决国家战略需求和科学前沿中的重大科学问题为主要目标,在现有的基础上进一步发展和建立先进的、系统的同步辐射实验方法与综合研究手段,将上海光源建设成为强有力地支撑我国科技创新能力快速提升的重大科技基础设施。上海光源线站工程的主要建设内容包括光束线站、线站技术支撑设施、实验辅助系统和光源性能拓展等。光束线站和线站技术支撑设施是上海光源线站工程建设的核心内容。新建线站包括能源材料线站、动力学研究线站、P 2生物防护蛋白质晶体学线站、稀有元素分析线站、激光伽玛线站、高性能膜蛋白晶体学线站、时间分辨超小角散射线站、硬X射线纳米探针线站、中能谱学线站、超硬多功能线站、纳米自旋与692复 旦 学 报(自然科学版)第6 2卷磁学线站、微束白光劳厄衍射线站、纳米三维成像线站、表面衍射线站、快速X光成像线站、硬X射线通用谱学线站、软X射线R I X S实验站等一批具有国际竞争力的高水平线站,图3显示了相应线站的分布。线站技术支撑设施的主要目的是解决光束线站设备研制、安装、调试及检测中的诸多关键技术问题,并为未来光束线站高效运行提供技术保障。新建光束线站及技术支撑设施将使上海光源实现主要光子能区和主要同步辐射实验方法的全覆盖,具备8个方面的先进实验能力,包括:超高空间分辨能力、超快时间分辨能力、超高能量分辨能力、超高灵敏度元素分析能力、多尺度结构分析能力、多层次动态分析能力、多组分原位分析能力和特殊样品分析能力,支撑在若干国家目标中的关键科学技术问题研究方面、在若干重大科学前沿问题和面向国家重大战略需求的基础研究方面、在国家战略性新兴产业关键技术研发方面取得突破。实验辅助系统建设内容包括材料样品准备实验室、原位条件辅助实验室、化学与环境科学辅助实验室、生物与医学辅助实验室、用户数据中心。图3 上海光源束线站分布示意图F i g.3 D i a g r a m f o r b e a m l i n e s a n d e n d-s t a t i o n s o f 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光源性能拓展8是为了进一步提升光源加速器的运行性能,提供更多的运行模式,更好地服务线站工程,满足更多用户的需求。建设内容主要包括储存环功能拓展、超导扭摆器、束团拉伸系统、低温系统扩容和多种先进插入件等。储存环功能拓展包括磁聚焦结构的重新设计优化和两个聚焦单元的改造。改造后的储存环包括1 8个标准D B A磁聚焦单元和两个基于高场强二极铁(S u p e r B)的D B A单元,在原有直线节的基础上增加了两段短直线节。S u p e r B和新装超导扭摆器用于为用户提供通量更高、光子能量更高的硬X射线,新增直线节用于安装激光伽马源设备和一台短的扭摆器。束团拉伸系统是利用新增的超导三次谐波腔拉伸束团长度提高束流寿命,以确保储存环在安装了大量小间隙插入件后仍具有足够的束流寿命。配合新增的束团纯化设备,束团拉伸系统有助于提升单束团填充模式的流强,以使上海光源更好地服务对时间分辨率有一定需求的用户实验。上海光源线站工程大量使用了目前最先进的峰值磁场更高的低温永磁波荡器,使光谱能量更高亮度更高。低温系统扩容的主要目的则是满足上述超导三次谐波腔、超导扭摆器和低温波荡器等新增系统的需求。至2 0 2 2年年底,上海光源线站工程已完成了用户辅助实验楼、用户数据中心等7个建筑单体的建设,并通过了上海市竣工备案。完成了实验辅助系统、束线技术支撑系统、光源性能拓展、1 2条光束线和2 3个实验站等系统的建设任务,通过了中科院组织的专家工艺测试,并开始试运行。即将建成的线站工程将使上海光源以更先进的技术支撑、更全面的服务能力、更突出的性能优势,围绕“四个面向”,更加有力地推动我国基础科学研究和高新技术开发的加速发展。3 上海自由电子激光发展情况X射线自由电子激光(X-r a y F r e e E l e c t r o n L a s e r,X F E L)是当前国际公认的新一代先进光源,具有比第三代同步辐射光源更高的亮度、更短的脉冲结构和更好的相干性。X射线自由电子激光应用覆盖原792 第3期赵振堂等:上海粒子加速器大科学装置概述子物理、生命科学、飞秒化学、材料科学、表面和界面科学、X射线激光物理等前沿学科领域。国际上X射线自由电子激光用户装置的运行,已经使人们具有对原子内部结构变化进行全息摄影,了解物质微观结构动态演化过程的能力9。X射线自由电子激光的实现不仅仅是基于加速器束流性能的提高,更是物理机制的革新,其基本思想在于电子相位的相干叠加和电磁场的相干放大。得益于加速器技术的进步,特别是光阴极微波电子枪及发射度补偿方面的新进展,使目前能够获得的电子束品质有了很大的提高,可以满足产生硬X射线自由电子激光的需求,从而使得国际上X射线自由电子激光装置迅速发展。在硬X射线波段:2 0 0 9年,世界首台硬X射线自由电子激光 美国L C L S实现了0.1 5n m波长受激放大达到饱和,并对用户开放;2 0 1 1年,日本S A C L A刷新了X射线自由电子激光波长记录(0.0 6n m);国际上已运行的硬X射线自由电子激光装置还有欧洲E u r o p e a n X F E L、韩国P A L-X F E L和瑞士S w i s s F E L等。在软X射线波段,已经运行的自由电子激光装置有德国F L A S H、意大利F E RM I,以及我国软X射线自由电子激光装置S X F E L。3.1 上海深紫外自由电子激光中国的高增益F E L是与上海光源预制研究工作同时起步的,曾计划利用上海光源直线加速器建设高增益F E L装置。在国家自然科学基金委、国家科技部和中国科学院等的大力支持下,2 0 0 0年前后,中国科学院上海应用物理研究所、中国科学院高能物理研究所、中国科学技术大学、北京大学和清华大学等单位开始筹备我国首台高增益F E L装置。2 0 0 2年,作为上海光源的整机预制研究装置1 0 0M e V直线加速器正式启动,该项目也兼顾了发展高增益F E L的要求,长远目标是进一步升级成高增益谐波放大型(H i g h-G a i n H a r m o n i c G e n e r a t i o n,HGHG)F E L装置,即S DUV-F E L1 0。上海光源加速器团队的首批骨干形成了上海自由电子激光团队的基本框架,经过与多家兄弟单位的合作与协作,不断优化总体设计和实施方案,攻克多项关键技术,包括高性能直线加速器、磁压缩、光阴极注入器和波荡器等,于2 0 0 9年建成我国首台高增益自由电子激光装置,并继美国之后第二个实现HGHG的饱和放大,使我国的相关研究进入国际先进行列。如图4所示,S DUV-F E L主要工作在紫外波段并兼顾临近波段,曾是国际上最有竞争力的自由电子激光 传统激光 高性能电子束综合性试验平台之一。图4 S D UV-F E L综合实验装置F i g.4 S h a n g h a i d e e p u l t r a v i o l e t f r e e-e l e c t r o n l a s e r(S D UV-F E L)t e s t f a c i l i t y我国短波长自由电子激光研究起步较晚,但是通过S DUV-F E L的实施,以上海应用物理研究所为主的国内科研单位已较为全面的掌握了自由电子激光的关键物理和关键技术,并开展了一系列创新性的实验和理论工作,将我国F E L研究推向了国际先进行列,在其中一些新原理研究方面甚至走到了世界的前列,对自由电子激光领域发展做出了实质性贡献,得到国际同行的高度认可。S DUV-F E L实施效果主要体现在以下两个方面:1)自由电子激光前沿的实验和理论研究:在实验研究方面,取得了回声谐波型(E c h o-E n a b l e d H a r m o n i c G e n e r a t i o n,E EHG)自由电子激光世界首次出光放大1 1、外种子自由电子激光波长连续调谐和级联倍频1 2、金属褶皱结构首次调控自由电子激光频谱1 3,及交叉平面波荡器首次切换自由电子激光偏振等重大进展1 4;在理论研究方面,提出了相位汇聚型自由电子激光1 5-1 6、E EHG级联1 7-1 9和X射线自由电子激光振荡器谐波运行等创新工作机制2 0-2 2。这些工作逐步形成了我国自由电子激光的研究特892复 旦 学 报(自然科学版)第6 2卷色,推动了国内粒子加速器和自由电子激光等领域的发展。2)S DUV-F E L的关键设备研发、整机集成、调试运行等为我国短波长自由电子激光大科学装置的建设奠定了坚实的技术基础,从S DUV-F E L开始,上海光源加速器团队先后承担了我国极紫外波段、软X射线波段、硬X射线波段自由电子激光装置的建设任务。其中,2 0 1 7年交付用户科学实验的国家重大科研仪器设备专项 大连极紫外相干光源,基本上是S DUV-F E L两倍比例的放大版本,与当时建议的深紫外自由电子激光装置基本相当,目前该装置已经成为基础能源领域独具特色的实验平台2 3。3.2 软X射线自由电子激光上海软X射线自由电子激光装置(S h a n g h a i s o f t X-r a y F E L,S X F E L)坐落在浦东张江上海光源园区,是我国第一台X射线波段自由电子激光装置。如图5所示,S X F E L装置与上海同步辐射光源集成布局,优势互补,形成上海建设具有全球影响力的光子科学中心的基石,也是我国自由电子激光科学和工程技术的人才培养基地。S X F E L装置是在国家发改委、上海市政府和中国科学院的支持下历时8年建设完成,其建设分为试验装置(2 0 1 42 0 2 0)和用户装置(2 0 1 62 0 2 2)两个阶段。图5 上海软X射线自由电子激光装置外观F i g.5 E x t e r i o r o f S h a n g h a i s o f t X-r a y f r e e-e l e c t r o n l a s e r(S X F E L)S X F E L试验装置是国际上独具特色的自由电子激光原理和实验研究平台,其科学目标是探索两级外种子自由电子激光级联模式,包括两级级联HGHG和E E HG-HGHG级联模式,以确定硬X射线自由电子激光装置发展的技术路线,解决并掌握关键技术,进行人才与技术储备,为我国建设硬X射线自由电子激光装置作预先研究2 4。项目工程目标是建成由射频电子直线加速器驱动的软X射线自由电子激光装置,为升级为用户装置提供基础。装置主要性能指标:实现电子能量0.8 4G e V,电荷量0.5n C,峰值电流强度不小于5 0 0A,归一化发射度不大于2.5mmm r a d,自由电子激光波长小于9n m,脉冲功率不小于1 0 0MW。S X F E L试验装置于2 0 1 1年2月正式获批立项,于2 0 1 4年1 2月3 0日破土动工,其土建工程于2 0 1 6年5月交付使用。S X F E L试验装置于2 0 1 6年6月开始设备现场安装。2 0 1 6年1 2月,直线加速器出束并实现了辐射波荡器通束出光。之后一年多时间S X F E L试验装置处于设备加工制造、安装和调束并行或交替进行阶段,2 0 1 8年9月,所有关键设备安装到位,进入级联自由电子激光调束攻关阶段。2 0 1 9年3月1 9日,直线加速器通过中国科学院条件保障与财务局组织的工艺测试,总体参数达到或优于设计指标。2 0 2 0年5月2 6日至2 8日,两级级联HGHG自由电子激光通过中国科学院条件保障与财务局组织的工艺测试,主要参数优于设计指标。2 0 2 0年6月1 0日至1 1日,E EHG-HGHG级联自由电子激光通过中国科学院条件保障与财务局组织的工艺测试。至此,S X F E L试验装置全面完成了国家批复的项目工程目标和科学目标,并在国际上首次实现了E EHG-HGHG级联模式放大2 5-2 6。S X F E L试验装置的建成标志着我国已经掌握了X射线自由电子激光装置相关的物理设计、关键技术和集成调试方法2 7-3 1,为S X F E L用户装置和硬X射线自由电子激光装置的建设奠定了坚实基础。992 第3期赵振堂等:上海粒子加速器大科学装置概述根据科学用户在相干衍射成像、超快物理、表面化学等方面的软X射线光源需求,软X射线自由电子激光装置(S X F E L)以其试验装置为基础进行装置升级,总体建设内容包括用户装置项目和活细胞结构与功能成像等线站工程项目两大部分。总体建设目标为:通过提升直线加速器性能,升级和建设波荡器束线,将自由电子激光输出波长扩展到更短,涵盖整个水窗、甚至磁窗,从而服务于用户科学实验。S X F E L用户装置和活细胞结构与功能成像等线站工程于2 0 1 6年1月获得项目建设书的批复,目标是升级试验装置直线加速器能量至1.5G e V,建设2条波荡器线(S e e d i n g线+S A S E线)、2条光束线(S e e d i n g光束线+S A S E光束线)和5个实验站,辐射波长覆盖水窗波段,如图6所示。用户装置的建设不仅需要创新、走向加速器领域前沿,更需要向科研用户开放,成为支撑我国科学家产出重大科研成果的平台3 2。图6 上海软X射线自由电子激光装置内景F i g.6 I n t e r i o r o f S h a n g h a i s o f t X-r a y f r e e-e l e c t r o n l a s e r(S X F E L)用户装置分别于2 0 1 6年6月和1 0月完成项目可研报告评审和初步设计报告,当年1 1月动工建设。2 0 2 0年项目团队对用户装置物理设计方案进行了优化,设计方案兼顾了S A S E、HL S S、高次E EHG、E EHG-HGHG级联等运行模式,保证了装置优异的性能。2 0 2 1年3月至5月,S X F E L装置S A S E波荡器线先后实现了5.6n m、3.5n m、2.4n m和2n m S A S E-F E L出光放大,F E L性能超过设计指标。2 0 2 2年3月,S X F E L装置S e e d i n g波荡器线首次实现了E EHG模式4 6次谐波5.7 8n m波长的放大,实现了国际上波长最短的E EHG放大出光;并且首次实现了HL S S模式下的3n m辐射出光并放大,达到了先进运行模式下的波长验收指标。同时,为了提升输出脉冲能量,在国际上首次将反渐变波荡器技术应用于HL S S模式,实现了谐波辐射的大幅度增强。2 0 2 2年3月3 0日,S X F E L用户装置完成了HL S S先进F E L模式的工艺测试。专家组现场对上海软X射线自由电子激光用户装置自由电子激光进行了测试。测得波长为2.9 6n m,峰值功率为2 2 7MW,脉冲能量为3 4.0J,采用反向渐变波荡器技术将辐射脉冲能量增大6.8 7倍。测试结果表明,上海软X射线自由电子激光用户装置HL S S模式下的自由电子激光性能优于设计指标。2 0 2 2年5月2 0日,S X F E L用户装置完成了E EHG模式的工艺测试。专家组现场对上海软X射线自由电子激光用户装置自由电子激光E EHG模式进行了测试。测得波长为5.6 6n m,峰值功率为2 7.8MW,脉冲能量为1.6 7J。测试结果表明,上海软X射线自由电子激光用户装置实现了5.6 6n m003复 旦 学 报(自然科学版)第6 2卷(种子激光的4 7次谐波)E EHG模式的出光放大。至此,S X F E L用户装置完全达到了国家批复的设计指标,全面完成了项目工程目标和科学目标。S X F E L用户装置是我国已经实现的输出波长最短、脉冲长度最短的自由电子激光大科学装置,达到了国际先进甚至是部分领先的水平,它的建成标志着我国已经全面掌握软X射线波段的自由电子激光装置的物理设计、关键技术和集成调试方法,为用户装置的运行、实验站科学实验的开展以及硬X射线自由电子激光装置的建设奠定了坚实基础3 3。2 0 2 3年,S X F E L装置正式进入向科学用户开放运行的第一年。3.3 硬X射线自由电子激光装置上海硬X射线自由电子激光装置(S H I N E)是“十三五”国家重大科技基础设施建设规划优先启动项目,如图7所示,是张江综合性国家科学中心旗舰项目。装置选址上海张江科学城,位于地下2 9m、长3.1 1 k m的隧道里,包括1台能量8G e V超导电子直线加速器,首批3条波荡器线、3条光束线和1 0个实验站,以及1个1 0 0P W超强超短激光系统。装置将提供0.4 2 5 k e V的X射线,具备超高峰值亮度和平均亮度、高达1MH z重复频率、飞秒级超快脉冲等优异特性,建成后将是国际上最先进的硬X射线自由电子激光装置之一。图7 硬X射线自由电子激光装置总体布局F i g.7 L a y o u t o f S h a n g h a i h i g h r e p e t i t i o n r a t e X F E L a n d e x t r e m e l i g h t f a c i l i t y基于低温超导加速技术的自由电子激光装置是结合了多个学科最顶尖技术的大型光子科学装置。S H I N E装置的超导直线加速器工作在连续波模式,采用甚高频(V e r y H i g h F r e q u e n c y,VH F)电子枪产生具有亚微米发射度、1MH z重复频率的电子束,注入器中的一套1.3GH z改进型双馈单腔加速模组和一套1.3GH z八腔加速模组将电子束加速到1 0 0M e V的能量。主加速器为三级加速和两级压缩布局结构,主要采用1.3GH z超导腔加速模组,第一级加速段包含两个加速模组和两个3.9GH z谐波加速模组,将束流能量从1 0 0M e V加速到2 5 0M e V,然后通过第一级压缩将其峰值流强提升到8 0A,再通过由1 8个超导加速模组组成的第二级加速段将束流加速到2G e V,并通过第二级压缩将峰值流强最终提升到1 5 0 0A,最图8 S H I N E装置F E L输出主要性能F i g.8 P e a k b r i g h t n e s s a n d a v e r a g e b r i g h t n e s s o f S H I N E后在第三级5 4个超导模组组成的加速段中实现8G e V的电子束输出。电子束最高重复频率可达1MH z,脉冲长度在1 0 f s量级,平均流强为0.1mA,平均功率为8 0 0kW。高重复频率的电子束通过基于快速束流分配系统,实现在下游3条波荡器线和d u m p之间的任意模式分配。电子束进入下游波荡器线,实现GW级峰值功率、1 0f s级脉冲长度的自由电子激光饱和出光。波荡器线目前包括了F E L-、F E L-和F E L-3条线,分别覆盖31 5k e V、0.43 k e V和1 02 5 k e V的不同光子能区,输出单脉冲电子数达到1 091 01 3量级,峰值亮度达到1 03 11 03 3量级,平均亮度达到1 02 41 02 6量级,如图8所示。3条波荡器线除了具备基本的自放大自发辐射(S A S E)运行模式外,均具103 第3期赵振堂等:上海粒子加速器大科学装置概述备了种子型自由电子激光运行模式,可以产生几乎全相干的X射线脉冲输出。另外,在F E L-线上,又具备了辐射光偏振态可调节的能力。F E L-采用了最先进的单台4m长的超导波荡器,也意味着波荡器研究的挑战和突破。除此以外,装置还包含了超短脉冲、全相干全覆盖、多色、偏振态快速切换等等多种先进F E L运行模式,可以提供多种多样的辐射性能3 4-3 7。该装置将为解决能源、生命、材料、物理、化学等多学科关键科学问题提供高分辨成像、超快过程探索、先进结构解析等最尖端研究手段。它也是全球唯一一台与1 0 0PW超强超短激光汇聚的硬X射线自由电子激光装置,将把光和物质的相互作用研究推进到强场量子电动力学领域,拓展人类对世界认知的新领域;将成为我国基础科学研究的大国重器;将使得高重频X射线自由点子激光形成中国 美国 欧洲三足鼎立的格局,实现我国先进光源发展的历史性跨越。目前,S H I N E装置的全部物理设计已经通过了国内和国际评审,正在开展紧锣密鼓的工程设计工作。装置关键核心部件研制已取得突破,已建成国内最大超低温工厂和最大规模超导模组集成设施;高