1.简介

高能光子源（HEPS）是中国首个建成的高能衍射存储环（DLSR）光源。2008年初，为了满足中国对高亮度硬X射线同步辐射日益增长的需求，有人提议建造一种具有双弯消色差（DBA）设计的高能千米级环形光源（Jiang等。, 2014)。自那时以来，加速器的设计一直在不断发展，以跟上世界各地加速器物理和技术的进步，朝着具有多弯曲消色差（MBA）晶格的所谓衍射限制存储环（DLSR）光源发展。正是在2012年，一种自然发射度为75的标准七频消色差（7BA）设计 下午5点 GeV首次被提议用于HEPS（Xu&Jiao，2013）)之后，对不同的MBA设计进行了调查，以探索HEPS的最终表现（焦和徐，2015; 徐等。, 2016一; 焦，2016; 焦等。, 2017一; 彭等。, 2017)。2014年，经过加速器和束线专家的反复讨论，明确了HEPS的设计目标： 周长约1300的GeV DLSR光源 m.为了开发构建DLSR光源所需的关键硬件技术，并获得HEPS的最佳晶格设计，2016年启动了一个名为高能光子源测试设施（HEPS-TF）的研发项目。HEPS-TF项目现已接近完工。关键技术已经演示，例如高梯度四极管、带有非蒸发吸气剂涂层的小孔径真空室和高精度电源。HEPS的物理设计已基本完成（焦等。, 2018一; 徐等。, 2018)。经正式批准后，HEPS将于2018年底开工建设。

如图1所示，HEPS由500个 MeV直线加速器，一种将束流能量提升至6的助推器 GeV和一个储存环。有三条传输线连接直线加速器、助推器和储存环。在第一个建设阶段，将建造14条光束线。这14条波束线的插入设备（ID）参数已根据用户要求进行了优化。两种操作模式，即高亮度模式（200 毫安，680 线束）和高线束充电模式（200 毫安，63 束）。可用光谱亮度高亮度模式的显示如图2所示.A型亮度第页，共5页 × 10²² 光子⁻¹毫米⁻²磁共振成像⁻²（0.1%带宽）⁻¹预计光子能量为21 HEPS的keV。在下面的部分中，我们将描述存储环晶格的设计和优化、光学校正、注入、集体效应和注入器设计。

图1 HEPS项目平面布置示意图

图2 在高亮度模式下运行的HEPS可用光谱亮度，通过考虑束内散射效应、阻抗和谐振腔来评估。

2.储存环设计

HEPS储存环由48个7BA细胞组成，这些细胞分为24个超周期，周长为1360.4 m和34.2的自然发射率 pm。一个超周期的布局和光学功能如图3所示，表1总结了储存环的主要参数.

图3 HEPS储存环的一个超周期的光学功能和布局。每个超周期包括两个改进的混合7BA。

在HEPS 7BA格子设计中，我们基本上遵循了所谓的混合MBA概念（Farvacque等。, 2013)这是首次针对ESRF-EBS项目提出的。这种新颖的晶格结构可以克服采用标准MBA晶格的高能DLSR设计所面临的困难，在这种设计中，随着自然发射度不断降低到几十皮米，色度校正所需的六极强度显著增加。以混合型7BA（以下简称H-7BA）为例，其中间有三个TME（理论最小发射度）样电池，两侧有两个DBA样电池。在每个DBA-like单元中创建色散凹凸，其中有彩色六极，因此六极强度可以保持在使用传统磁铁技术可以达到的可接受水平。这是有代价的，DBA-like细胞中的Courant–Snyder参数与TME条件不太接近（Teng，1984)，导致相对较低的发射度降低效率。因此，为了实现最小的发射度和紧凑的布局，措施包括弯曲磁铁与纵向梯度（BLG）相结合，弯曲磁铁与水平散焦梯度（BD）相结合以及专用聚焦四极体（QF）DBA-like细胞和中间TME-like细胞分别使用比标准7BA细胞更高的梯度。此外，每对六极之间的相位提前匹配到接近（如果不是精确到）3π在水平面上π在垂直方向(即也可以使用八极点和−I输运），以最小化六极点引起的非线性驱动项，并大大促进随后的非线性优化。研究（焦等。, 2017b条)表明，如果使用48个相同的H-7BA，HEPS储存环的自然发射率可以降低到约45 pm，同时保持用于轴上注入的足够大的动态孔径（DA）。

为了进一步提高性能，基于H-7BA（Jiao等。, 2018一)。为了简单起见，在下文中，我们将修改后的H-7BA称为MH-7BA。首先，H-7BA的中间电池被一种与首次提出的电池非常相似的新型电池所取代（Streun&Wrulich，2015)用于SLS-2项目。在这种新型电池中，偶极子是BLG而不是BD，其中心层具有最高的场；在偶极子附近，有两个专用的散焦四极子（QD）和两个结合了聚焦梯度的反弯曲(即QF从环中向外水平移动几毫米）。对不同电池进行了性能比较（Jiao等。, 2018b条)基于HEPS设计参数。结果表明，前电池（H-7BA的中间电池）的发射度约为TME的两倍，如果像高级光子源升级设计（Borland等。, 2016)而后者（MH-7BA的中间电池）允许发射度比TME低30-50%，只要电池足够长，即不小于2.6 m.其次，与H-7BA的情况不同，在H-7BA中，主偶极子相对较弱，因此需要额外的弯曲磁铁（BM）源，在MH-7BA的中间单元中，LGB本身的中央片可以用作BM源。此外，只要LGB的长度和总弯曲角度保持不变，LGB峰值场可以根据不同的用户要求进行更改，生成通量具有不同的临界光子能量，但对光束动力学几乎没有扰动。第三，色散凸块内的一个QF家族被抗弯取代。这保证了色散函数的更灵活控制，并有助于实现更低的发射度。第四，与通常具有对称光学元件的H-7BA不同，MH-7BA的光学元件相匹配，以在7BA的不同侧面创建高β和低β截面。一个人可以达到尽可能高的水平亮度通过减少β函数使其接近电子束和光子束的最佳匹配，在低β直线段中获得足够的DA，以确保高注入效率。

经验表明，在DLSR设计中，最佳性能的参数调整空间非常有限，与第三代光源相比，DLSR中的非线性动力学更多地与线性光学耦合。此外，很难（如果不是不可能的话）找到一个或几个有效优化DA和动量接受（MA）的因素（Jiao&Xu，2018)。因此，在HEPS设计中，我们使用粒子群优化算法和MOGA算法的合理组合进行了全局优化，这已被证明比单独使用这两种算法更有效地逼近具有许多局部最优的典型探索性多目标问题的真正全局最优解（Jiao&Xu，2016一,b条, 2017).

在优化中，所有可调参数（超过60个参数）都发生了变化；考虑了尽可能多的约束和限制。两个优化目标用于表征晶格的整体性能：一个是加权亮度另一个是加权DA，它实际上是通过数值跟踪获得的DA和MA的乘积，并经过一些归一化处理。

通过优化实验发现，非线性性能对六极对之间的水平相位提前比对垂直相位提前更敏感。当放松垂直相位提前的限制时，建议对较高的相位采用比通常更强的垂直聚焦亮度和更大的DA。对于最新的HEPS设计，标称音调为（114.14， 106.23). 即使考虑到真实机器的情况，这种设计也能为轴上注射提供足够的DA和局部MA，并提供合理的使用寿命。细节将在下一节讨论。

3.光学校正

为了实现超低发射度，DLSR设计需要比第三代光源更强的聚焦。HEPS四极杆的最先进设计具有高梯度，高达80 T型 米⁻¹这反过来意味着轨道畸变对四极子的横向失准非常敏感。事实上，人们发现，为了找到闭合轨道，必须采用专门的首次折返策略（赵等。, 2017)。为了使修正后的闭合轨道畸变保持在足够小的水平，要求同一主梁上以及相邻主梁之间的磁铁对准优于30 µm有效值和50 分别使用µm r.m.s.和576个光束位置监测器以及环沿线的480个轨道校正器进行轨道和闭轨畸变校正。此外，为了控制动态误差的影响(例如地面振动和电源波动），并在辐射源内保持超过10%的r.m.s.束流尺寸的束流轨道稳定性，使用22个运行的所有束流位置监测器的快速轨道反馈系统 kHz快速采集模式和480个校正器中的192个快速校正器正在设计中。

此外，强聚焦会导致较大的自然色度，这就需要强大的六极体来将线性色度校正到足够大的正值，例如(+5, +5). 仿真研究表明，经过轨道校正后，六极中心相对于光束轨道的偏移量约为70 µm r.m.s.，导致强烈的反馈效应，并对光学畸变形成主要贡献。如果控制不好，这种效应将恶化束流动力学，导致明显的束流发射度增长和显著的DA降低。为此，开发了一种新的局部纠正六极反馈效应的方案（段等。, 2018b条; 季等。, 2018)。我们建议为六杆安装专用的移动器，以便可以远程调整六杆的横向位置，精度高达5 µm r.m.s.六极偏移用于LOCO配件（Safranek，1997)，然后根据拟合结果调整六杆机构。这种校正过程经过几次迭代后，可以对线性光学进行很好的校正，并对DA进行实质性恢复。在水平面和垂直面上，均方根散射剩余贝塔拍频约为0.5%，水平色散的均方根误差约为0.7 mm。对于大多数误差设置，水平发射度增长小于10%，垂直发射度通常在皮米级。在常规操作中，可能需要调整垂直发射度，以在高亮度和长光束寿命。为此，在每个7BA中使用三个斜四极校正线圈，其中两个位于色散区，另一个位于无色散区，以实现垂直发射度的微调。

还考虑了ID效应。每转一圈，它们会导致额外的能量损失约1.5 MeV和27.5降低的自然发射度 pm在零电流近似下，并诱导（如果未校正）约0.03的垂直调谐偏移。研究确保了每个ID引起的调谐偏移可以用附近的四极子进行校正，ID积分场误差引起的束流轨道畸变可以用ID（Li）附近的四个校正器进行局部校正等。, 2017).

在晶格校准的每个步骤中，评估了高β直线段中心的DA和裸晶格的LMA，其中还考虑了多极误差影响。结果如图4所示和5.修正后的DA约为2 垂直面为mm，3 mm，满足对储存环的轴向注入要求，这将在下文中讨论。

图4 HEPS储存环的DA，用于裸点阵（黑色）和在校正程序的不同步骤中存在实际错误的情况（彩色点）。彩色曲线表示随机误差种子中第20%的最小DA。

图5 HEPS储存环一个超周期的局部动量接受（LMA），对于只有裸晶格（黑色）和实际误差的情况（蓝色曲线表示具有不同误差种子的结果，红色表示平均LMA）。

4.注入

在过去的几年里，人们对HEPS的不同注入方案进行了研究，包括脉冲六极踢球器的离轴注入（Jiao&Xu，2013)，两种新型纵向注入方案（Xu等。, 2016b条; 段等。, 2016; 江等。, 2018)以及当前的基线注入方案，即轴向抽汲注入（Emery&Borland，2003)。根据以下考虑因素选择抽汲注入方案。首先，与离轴注入相比，轴上抽汲注入需要更小的DA，并且它有可能进一步降低发射度并提高亮度。其次，与离轴注入相比，串-串抽汲注入预计对用户实验更加透明。最后但并非最不重要的一点是，抽汲和纵向注入方案都需要一个超快的冲击器系统，而抽汲注入相对于纵向注入方案对冲击器系统脉冲宽度的要求要宽松得多，因此技术要求较低。

抽汲注入的主要挑战是向储存环输送全充束流，尤其是满足14.4的高束流充注模式的需要 每束nC。为此，我们提出了一种高能积累方案（段等。，2018年一)其中助力器在6处用作蓄能器环 GeV公司。如图6所示一个电子束损失了一小部分(例如10%）的电荷（蓝色）从储存环中提取(一)，通过传输线后注入增压器(b条)与从直线加速器注入的一束助推器（黑色）合并，并增加到6个 GeV公司(c（c）); 在助推器内旋转约10000圈后，这束（红色）从助推器中抽出(d日)，然后重新注入存储环(如果)经过另一条运输线后(e（电子）)。这样，助推器只需要存储和加速带中等电荷的束团，这可以克服由于单束团不稳定性（在注入能量附近特别强烈）而在助推器中存储高电荷束团的困难。

图6 在存储环中填充一束的整个过程。

最小束间距为6 为了在存储环中以一束一束的方式实现抽汲注入和抽汲，注入和抽吸器都设计为具有非常短的上升时间、平顶和下降时间。根据HEPS-TF项目的研发经验，我们选择使用8个300 mm，并且设计相关的高压脉冲发生器，使得它们提供具有大约4.5的FWHM的高斯形状脉冲 纳秒。此外，Lambertson磁铁在偏航、横滚和俯仰（Abliz等。, 2018)用于将储存的光束与注入或提取的光束分离。注入和提取区域的布局如图7所示对于助推器的注入和提取系统，将采用基于传统技术的冲击器和Lambertson磁铁，尽可能减少技术挑战。基于存储环和喷油器的最新设计（详细信息请参阅喷油器设计部分)初步模拟研究表明，在整个注入过程中，传输效率令人满意。

图7 HEPS储存环注射和提取区域的布局。

5.集体效应和束流寿命

为了实现强聚焦以最小化束流发射度，HEPS设计中采用了小孔径磁铁和真空系统。储存环中真空室的内半径大多为11 mm，与第三代光源相比，它产生了更强的阻抗。HEPS储存环的强阻抗、高束团密度和小动量压缩因子使得包括束流不稳定性、束内散射（IBS）和Touschek效应在内的集体效应更加显著。

已分段评估了各种真空元件的纵向和横向阻抗（Wang等。, 2017b条)。用解析公式计算电阻壁阻抗（Wang&Qin，2007)，并用数值方法计算几何阻抗ABCI公司和CST公司获得了包括所有这些元件的阻抗预算。这使我们能够全面了解不同元件对总阻抗预算的贡献，为进一步优化关键真空元件提供了线索。已经使用导线法对特定器件的原型进行了纵向阻抗测量（Tian等。, 2018一)作为分析和数值估算的基准。

为了降低粒子强度并减轻IBS和Touschek效应，提出了三次谐波腔。IBS充气梁参数如表2所示其中包括阻抗和谐振腔对纵向单束团动力学的影响。

基于阻抗预算（Duan等。, 2017; Xu&Wang，2018年; 王等。, 2017一)。影响光束质量的最重要的单束不稳定性是纵向平面中的微波不稳定性和横向平面中的横模耦合不稳定性（TMCI）。表3列出了单束团不稳定性的阈值束团电荷可以看出，谐振腔有助于提高阈值。对于TMCI不稳定性，基本上需要足够大的正色度来抑制不稳定性并使光束稳定在200 注意，当存储环在高亮度模式下操作时，束流电荷（14.4 nC）远大于微波不稳定性的阈值，这不会导致光束损失，但会明显增加r.m.s.能量扩散，从而影响光子束的质量。对用户实验的潜在影响和可能的解决方案正在研究中。另一方面，可用的最高束流主要取决于由射频腔的横向电阻壁阻抗和高阶模式（HOM）引起的多束团不稳定性，无论存储环的工作模式如何。横向电阻壁不稳定性是由电阻壁阻抗的零频率共振引起的。对于HEPS，最危险失稳模式的增长时间约为0.5 ms。将使用束团横向反馈系统来解决这种不稳定性。研究了几何阻抗的HOM引起的不稳定性，包括射频腔的HOM。研究发现，166.6年 MHz射频腔如果不加以控制，可能会导致不稳定性，其增长时间超出最先进反馈系统的能力。现在正在为RF腔设计和优化HOM阻尼器，以便将分流阻抗降低到足够低的水平。

由于束流横向尺寸较小，束流强度较高，电子束势阱中积聚的残余气体可能会激发束流离子不稳定性，从而影响机器性能。进行了分析估计和数值模拟（Wang等。, 2018; 田等。, 2018b条)。研究表明，生长时间为2到4 ms，可通过横向反馈系统治愈。

在超低发射度环中，束流寿命主要由Touschek寿命决定。根据随机误差种子中最小LMA的第十个百分位，Touscheck寿命估计为4.0 h用于高亮度模式，0.9 h表示高束流充电模式。假设真空压力为1，弹性气体散射和气体轫致辐射导致的真空寿命 n托尔（含80%H₂和20%CO），估计分别为136.7和257.8 h、 分别是。预计其束流寿命为3.8 高亮度模式为h，0.8 h表示高束流充电模式。保持高昂亮度在操作过程中，计划进行向上注入，每隔15到20次重新注入电子束 第条。

6.喷油器设计

HEPS注入器由一条直线加速器、一条低能传输线、一条加速器和两条高能传输线组成。增压器位于与储存环分离的通道中，以显著降低增压器倾斜对储存环操作的影响。

为了实现操作的高稳定性，我们尽可能选择在喷油器设计中使用成熟的技术（Li等。, 2018)。直线加速器使用热离子枪和S波段正常导电加速管来产生电荷高达4的电子脉冲 nC并加速至500 墨西哥湾。助推器设计基于四重对称FODO晶格（Peng等。, 2018)，自然发射率为33 6纳米 GeV和9.6的平衡均方根能量扩散 × 10⁻⁴.助推器的重复频率被选为1 赫兹。要求助推器能提供多达10束和2束的电子束 nC连接到存储环。

如前所述，6 GeV的助推器也用作蓄能环。助推器的非线性光束动力学已经过优化，助推器高能注入和提取系统已经过设计和优化，以确保良好的捕获效率。设计了两条高能传输线，用于连接增压器和储存环。对其长度进行了仔细调整，以确保从储存环中抽出的束流在增压器中补充电荷后重新注入到储存环中时能够返回到同一个桶中。

7.结论

HEPS将成为中国第一个高能DLSR光源。到目前为止，储存环是基于改进的混合7BA晶格设计的。对光学校正、注入设计、集体效应和注入设计等相关物理问题进行了深入研究。在当前的HEPS设计中，采用了尽可能多的功能，以最大化亮度，确保HEPS一旦建成，将成为世界上最明亮的光源之一。

另一方面，这种设计仍然为进一步提高性能留下了空间。例如，当前设计中使用的最高四极梯度为80 T型 米⁻¹，可以增加到更高的值，以实现更低甚至更高的发射度亮度。在目前的注入设计中，我们在很大程度上保留了纵向注入的兼容性，这将允许在未来进行束流实验，以验证DLSR上的纵向注入。

最后，要实现前所未有的高质量设计性能，成功的工程设计和实施至关重要。幸运的是，HEPS-TF项目已经展示了大部分所需的尖端技术，为HEPS项目提供了坚实的基础，该项目将于今年年底开始建设。