上海光源建设中的技术创新：百种重要技术的研发与进步

大科学装置运行寿命较长的特性决定了其在建设过程中必须具有前瞻性，也因此不能等所有建设技术完备后才开始建设，而是要在建设的实践中积累技术和工程建设能力。上海光源是第三代中能同步辐射光源，是一台超大型高精度光机电一体化装备，它的研制涉及电子加速器、光束线站及动力建安等领域的20多个学科和技术门类。是一个具有3000多（台）套设备、15万多个数据通道的超大型复杂系统，包括约1000 m的超高真空系统、800多台磁铁、700多台磁铁电源、200多个束流位置探测器等。要实现上海光源国际一流的总体性能指标，首先必须高质量地完成各系统设备研制。上海光源的研究团队在创办过程中，研究开发了约百种重要技术，极大地促进了国家有关大科学装置建设水平的进步。

（一）通过技术攻关，解决并发展了光源加速器的多项关键技术，使我国相关技术达到国际先进水平。

自主研制了兆瓦级储能型动态数字化电源，解决了对电网的扰动问题，主要性能指标世界领先。在上海光源增强器中，能量的提升和二极磁铁电流同步增加，电流变化范围达23.3倍，峰值功率可达1.5 MW，如不加控制，将对电网产生严重的冲击，并干扰其他电子设备的工作。自主设计研制的大功率二极磁铁动态电源，创造性地采用了双控制回路磁铁功率回收再利用控制技术和输出回路LC校正技术，在数字化调节控制技术的驱动下，可将磁铁回吐的电能全部回收在电容器内，供下周期重新利用。电网侧保持近似恒定功率的特性，功率因数高达0.96，减少了电网的容量要求，对电网的扰动小于5%。

自主研制了脉冲切割磁铁，其性能指标达到国际先进水平。切割磁铁是同步辐射光源束流注入引出的核心设备，其中漏场是最关键的指标之一。上海光源储存环注入脉冲切割磁铁采用了涡流板磁场切割、特种真空硅钢磁芯和磁屏蔽措施、弧形磁体形状等优化的技术设计，在满足束流通道孔径和偏转角度要求的同时，有效地解决了磁场泄漏的关键难题。

国内首次自主研制了大型双室不锈钢超高真空室，总体性能指标达国际先进水平。上海光源储存环432 m超高真空室是上海光源的核心设备系统。国内首次研制成功的这种大型双室不锈钢超高真空室结构复杂，有弯段和直段连接而成，采用光子吸收器集中吸收同步辐射功率，并通过结构优化确定真空室支撑方案。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，分步骤先后研制了3 m不锈钢真空室样机、复杂直段真空室样机、弯段真空室样机，在此基础上确认了制造技术路线和工艺方案，研制成功并按时完成了储存环双室不锈钢真空室批量加工和安装调试。平面度好于0.5 mm，直线度好于1 mm，静态真空度好于2E—8Pa。上海光源真空室的成功研制，有力地促进了我国相应学科的进步，为建设大科学工程真空设备奠定了夯实的基础。目前该技术已用于合肥光源升级改造。

国内同类型装置中首次大规模采用全数字化诊断与控制技术，技术实现方案及系统指标达到世界先进水平。自主创新研发了数字化高频低电平控制系统，相位稳定度0.5、幅度稳定度0.5%，这也是世界上首次在专用同步辐射光源上成功使用数字化低电平控制系统。各类磁铁电源全部采用了数字化调节开关电源，电源开机重复性优于50 ppm，长期稳定性达到20 ppm，分辨率达到10 ppm。采用全数字化束流位置测量（BPM）系统方案，其闭轨测量分辨率达到百纳米量级，逐圈测量分辨率达到微米量级。自主研发的成功基于分布式控制系统硬件结构、数字化全局轨道反馈设计方案的快速轨道反馈系统。自主设计研发高精度定时系统，其触发信号晃动（jitter）小于10 ps（rms），系统性能达到国际领先水平，并已成功应用在韩国光源PLS-II定时系统中，还将应用于日本的超级B工厂、台湾光子源等项目中。

国内首次自主研制了真空波荡器和椭圆极化波荡器，性能指标达到世界先进水平。真空波荡器设计复杂，建造难度大，是影响中能第三代同步辐射光源生成的硬X射线是否能与高能光源所生成的？射线相比的决定性设施（光机电信息，2009）。在外国公司严重拖期的情况下，团队紧急启动自行研制计划。从设计调研与消化吸收开始，克服了设计、部件加工、精密组装、磁场垫补与测量、磁极间隙精确调节和超高真空获得等多个环节中的技术和工程困难，仅用12个月的时间就在国内首次完成了两台真空波荡器的研制，积分长误差小于50 G/cm，磁极间隙调节重复性好于5 m，磁场相位误差分别小于3.1度和2.2度。真空波荡器成功研制使我国真空波荡器技术在国际上占有了一席之地。椭圆极化波荡器是通过调节周期磁体阵列的相对关系产生从线激化到圆激化间不同偏振模式同步辐射的特殊波荡器，其磁极结构、精密机械结构、机械传动及控制要求极为复杂。在借鉴国外设备设计的基础上，自主研制成功了我国首台椭圆极化波荡器，可工作在水平和垂直线极化、圆极化和各种椭圆极化模式下，各种极化模式下积分长误差小于100 G/cm，磁极间隙的重复性好于5 m，相位误差小于4度。

通过多种综合技术手段，在软土地基微振动条件极不利的背景下，实现了亚微米束流轨道稳定性，处于世界一流水准（中国科学院，2009）。在软土场地微振动极不利的情况下（嘈杂时，场地微振动大于1微米），如何实现亚微米级束流轨道稳定性是上海光源面临的重大难题之一。配合软土地基上微振动及底板变形控制技术，团队采用了一系列国际先进的技术措施确保束流轨道稳定性：（1）优化的大支架布局；（2）高本征频率大支架（垂直本征频率大于20 Hz）；（3）高性能全数字化电源；（4）高性能的数字化高频频率反馈；（5）高性能的数字化束流位置探测器（BPM）系统及数字化束流轨道慢反馈与快反馈系统等。通过采用上述多项综合措施，上海光源首期5个插入件处的水平束流轨道稳定性（RMS值）好于0.5微米，水平束流轨道稳定性（RMS值）约0.2微米。

（二）创新地解决了上海光源高热负载条件下的高精度和高稳定度光束线站涉及的各项关键技术，多项技术达到国际先进水平。(www.xing528.com)

在国际上首次采用衍射准直原理研制成功国际领先的长程面型仪。长程面型仪是一种高精度、非接触的大型非球面光学检测仪器。国际上已有仪器对环境变化非常敏感，要求的测试条件苛刻。上海光源团队自行设计研制的长程面形仪，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，以衍射器件替代细光束干涉仪，从原理上克服了基于干涉原理的轮廓仪的缺点，简化了光学系统，消除了光源波长变化对测量精度的影响，大幅度降低了环境因素导致的测量误差，保证仪器可在无苛刻恒温条件的实验室使用，重复精度优于0.1 rad。该设计原理已被国际上其它同步辐射装置采用，例如：英国Diamond和德国BESSY等同步辐射装置的长程面形仪都采用此原理研制，以研制传统长程面形仪著称的美国NSLS也改用这一新原理设计仪器。

自主研制了国际领先的高能量分辨率平面光栅单色器。变包含角宽能区平面光栅单色器是软X射线谱学显微光束线核心部件，属同步辐射光束线设备中的高端产品，一直被国外少数公司所垄断。在短短不到两年的时间内，多团队联合自主攻克了一批重大技术难点：（1）为确保可变入射角平面镜的热变形在全部过程中优于2微弧度，我国第一次使用超高真环境中的高热负载光学元件的特殊内部水冷技术。单色器能量分辨率的实测结果为17900@244eV，总体性能达到同类设备的国际领先水平。（2）使用超空真空环境中的高精度机械传动技术，使平面镜优于0.11弧秒，光栅调解机构精度优于0.15弧秒。（中国科学院，2009）。

国内首次研制了长镜精密压弯机构，总体性能指标达国际先进水平。作为光束线关键设备，长镜压弯机构对于光束线的整体性能有非常大的影响。上海光源首批七条光束线中有五条都采用压弯镜作为准直或聚焦元件，对1 m长的大尺寸压弯镜，面形精度是子午方向rms斜率误差在2-3 rad。经过与韩国浦项加速器实验室合作，团队解决和建立了：压弯结构工程分析技术；重力对面形误差的影响及重力补偿平衡机构的设置；压弯半径及面形误差的离线测试技术。检测结果表明所有压弯机构的各项指标均达到或者超过设计要求，子午面形误差为0.84-2.05 rad。

发展了具有国际先进水平的高热负载热缓释技术。第三代同步辐射光源高亮度和高通量，在光学元件上会产生高功率的热负载（最高可达100 W/mm2），影响其性能和寿命。上海光源发展的高热负载热缓释技术主要包括：数值模拟与公式外推相结合的热缓释计算方法和不同光学元件热缓释设计原则，解决了小空间、高精度条件下高效冷却结构设计问题；多极（40级）扭摆器碳高热负载滤波器技术：用于变包含角平面光栅单色器“凹”型冷却结构高功率密度平面镜冷却技术等。高热负载热缓释技术成功解决了光学元件的变形与损伤问题。

（三）攻克了软土地基上微振动及底板变形控制、超大面积高精度空气温度控制等建安技术难关，达到国际先进水平。

针对软土地基，创新地采用钻孔灌注桩基础微形变控制技术和以结构减振为核心的微振动控制技术，实现了上海光源对基础微形变与微振动控制的要求，达到国际领先水平。上海张江为软土地基，上海光源基础面积巨大，约2万平方米，不均匀变形要求＜250μm/10 m/年，微震动控制要求＜0.15μm（安静时），国际上无现成技术可用。多家单位联合攻关，在计算机数据模拟的技术上，采用了钻孔灌注桩底后注浆、桩顶扩径、控制桩顶荷载水平和厚底板等减少基础变形等综合微变形和微振动控制技术，微振动控制在200纳米左右，运行初期前三年监控数据显示结果满足上海光源的设计要求。

发展了大型加速器隧道内超大面积环境温度稳定度0.2℃控制技术，达到国际先进水平。针对储存环隧道容积量大、单位面积空调负荷大且分布不均匀、送风口风量小和风速低，送回风温差大等特点。空调系统采用了CFD数值模拟分析技术，研究分析了隧道内设备的分布、工作方式、发热量以及环境温度变化的影响规律。通过调整风管的布局和尺寸、风口的数量和分布方式、末端二次调节等手段，达到了隧道内空气稳定度小于±0.2℃。

由于以上技术创新，上海光源的建设按计划成功完成，令同步辐射光源的亮度上升了4个量级，原位动态得以推广使用，时间分辨、空间分辨、能量分辨得到显著提升，成为我国科学进步至关重要的先进研究设施。此外，一个高质量的专业团队随着上海光源的建设而诞生，该团队此后承担了多项国家重大科技基础设施的建设任务，还承接了多项国际同类设施的研制任务，例如日本超级B工厂和韩国光源对撞机的定时控制，加拿大光源和韩国光源的波荡器，巴西光源直线加速器设计及相应的建设和调试，为我国参与全球科技竞争与合作添砖加瓦（黄海华，2019）。