直线加速器：HEPS的“火箭一级发动机”

HEPS是我国在建的首台第四代同步辐射光源，建成后将是世界上亮度最高的同步辐射光源之一。它可以为我国科学家照亮微观世界，帮助他们更好的探索其中的奥秘。

HEPS的工作原理可以概括为“加速电子，生产光”。

电子枪产生的高品质电子束，经过直线加速器加速到0.5GeV，然后进入增强器，在增强器进一步被加速到6GeV。最后，达到6GeV的电子束团从增强器里引出，注入到专门为电子发光准备的储存环中，以接近光速的速度保持回旋运动。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，会沿着偏转轨道切线方向释放出稳定而且高能量、高亮度的光——同步辐射光。在后续调制后，就可以给用户实验提供高品质的同步辐射光了。

HEPS主要由加速器、光束线和实验站构成。其中，加速器由直线加速器、增强器和储存环三台加速器组成，它们就像火箭的三级发动机，而直线加速器就是它的第一级发动机。

直线加速器是HEPS电子束的源头，同时也是它的第一级加速结构，由端头的电子枪、聚束单元、加速结构和微波功率源等设备构成。

在这里，电子枪产生的电子束经过压缩、加速和聚焦，最终达到500MeV的设计能量后，经过输运线进入增强器再加速。

直线加速器的基本原理并不复杂: 只要给粒子提供一个加速电场，粒子便可沿直线运动。如果采用合适的交变电场，就可以做到让粒子持续加速了。但是交变电场有正有负，如何保证粒子的速度只增不减呢？科学家们巧妙地使用了一种在均匀波导中引入周期性负载的行波加速结构，让管道内的谐波相速度和带电粒子速度趋于一致，这样带电粒子就可以在直线段中保持加速、勇往直前了！

“驯马师”的日常

从束流在直线加速器的电子枪中产生，到最后在储存环里循环产生高质量的同步辐射光，如果不尽力控制好束流在每一步的品质表现，就很难获得极小发射度的电子束，更不用说我们最终需要的高品质光束了。这就是“调束”工作的意义。

为什么说调束工作像“驯马”？那是因为，没有调试好的机器真的像一匹野马。

你可以将粒子加速的过程想象成用手捧着一团沙子飞速奔跑，速度越来越快，沙子越容易散掉。在加速器部件实际的生产和安装过程中存在着微小的误差，它们就像我们手捧沙子飞奔的路上存在的坑洼，也许是一块磁铁的偏置、也许是电压的振荡，这些误差都有可能导致电子束变形甚至丢失。

图片来源：veer图库

这就需要直线加速器各结构及众多元件部件齐心协力，才能为下一级加速器提供高品质的束流，而这正是目前调束工作的重点：通过调节直线加速器中各个元件的参数，最终使束流各项指标达到设计值。

由于误差的存在，直接使用设计参数时，机器很难拥有理想的性能，这时的直线加速器就像一只还没有被驯服的“野马”，很难得到我们想要的结果。而调束人员就扮演起了“驯马师”的角色，他们依靠丰富的经验，根据束流的实际表现，做出准确的物理判断，通过调节各个元件的参数，使电子束团按照既定的方向和速度“奋力奔跑”，使机器的性能一步步接近设计指标。

在束流的调试中，调束人员需要特别专注地观察束流（哪怕微小）的反馈。3月9日，在第一天的调束过程中，控制室人头攒动，调束骨干人员孟才一边要操作束流，一边还要和现场硬件人员沟通，分心二用，一时无法找到正确模式。但在中午大家都去吃饭的时间，他主动请缨驻守控制室，调整心态，仔细观察，回想自己设计直线加速器时的种种细节，迅速做出正确的判断，根据束流轨道的偏差，判断是剩磁补偿线圈没有加到位，加速腔的延时与加速相位也有偏差。进行调整之后，顺利实现束流全线贯通，调束取得开门红。

调束现场（中间位置为孟才）

此外，基于自主开发的全新上层调束平台Pyapas，采用面向物理参数的控制策略，使得调束人员可以将注意力直接放在磁场梯度等直接与束流质量相关的物理参数上，使调束过程事半功倍。

我们的直线加速器上，有哪些新技术？

HEPS的直线加速器本身应用了许多自研的先进技术。主要有以下三种：

1.采用了自行研制的长寿命、高流强的阴栅组件。

如果说电子枪是一把狙击枪的话，那么阴栅组件就是不可或缺的发射器，它能够控制电子枪中的电子发射，利用一个金属网格（阴栅）来调节电子枪发射电子束强度和脉冲长短。

HEPS所用的阴栅组件能够产生高品质、高重复频率（50Hz）、短脉冲宽度（1.1ns）、高电荷量（10nC）的电子束；其长寿命、高流强特点可以提高电子枪的可靠性和稳定性，减少维护成本和停机时间。

2.采用了基于绝缘栅双极晶体管的固态调制器。

固态调制器本质上是一种电源，利用绝缘栅双极晶体管作为开关元件，将直流电转换为脉冲电，向直线加速器所用的功率源提供能量。

HEPS所用的固态调制器能够提供高压（315kV）、大功率（45MW）、短脉冲（4μs）的输出；其独特的固态开关机制可以降低运行成本和环境影响，同时其高重复稳定度、低噪声特点也可以保证微波源的稳定输出，提高直线加速器的加速效果。

3.采用了内水冷、弧形腔结构和对称式功率耦合器的加速结构。

这种加速结构因其均匀且恒定的温度分布而具有均匀的加速电场。同时它不仅可以承载更高的微波功率，而且在相同微波功率下的加速电场更高，从而具有更高的加速效率。

“驯马”成功之后，还有新的挑战

3月14日，直线加速器成功加速第一束电子束，自此HEPS进入设备安装、调束并行阶段。

经调试，HEPS目前的电子束的各项指标在一步步向设计值靠拢，基本反映出直线加速器部分的设计、制造、安装和调试是成功的。5月18日，直线加速器通过了HEPS工程指挥部组织的工艺测试，6月5日，通过了工艺验收。

验收会现场

HEPS直线加速器调束的成功，是HEPS这台“火箭”迈出的第一步。不久后我们将迎接新的挑战：转战增强器，点燃“第二级发动机”，并为后续增强器、储存环的顺利运行打下坚实基础。

（本文图片除说明来源者之外，均由中科院高能物理研究所提供）