焦廣為 田順強,2 相升旺 朱亞 劉新忠 吳帥

1（中國科學院上海高等研究院 上海 201204）

2（中國科學院上海應用物理研究所 上海 201800）

上海光源（Shanghai Synchrotron Radiation Facility，SSRF）是我國第一臺中能第三代同步輻射光源，于2009年5月正式開放運行，總體性能位居國際同類裝置先進水平。光源加速器由一臺150 MeV直線加速器、一臺150 MeV~3.5 GeV增強器、一臺3.5 GeV儲存環(huán)及兩條輸運線組成。上海光源每年開機約7 000 h，其中實驗供光約4 500 h。運行期間，裝置穩(wěn)定高效運行、性能不斷提升，加速器開機率（Availability）、平均無故障運行時間間隔（Mean Time Between Failures，MTBF）、平均故障修復時間（Mean Down Time，MDT）等主要運行指標處于同類裝置的國際先進水平［1-2］。2016年上海光源線站工程（二期工程）［3］開工建設，至今已建成了一批具有國際競爭力的高水平線站，項目于2023年開始正式運行。目前上海光源共有34條光束線46個實驗站開放運行［1-2，4］。

上海光源后續(xù)線站項目是指目前正在建設的，由相關單位出資建設的用戶線站項目，旨在滿足特定用戶的科學前沿研究和工業(yè)應用研發(fā)需求，為上海光源提供具有更多用途的光束線站。其中有兩條光束線是基于儲存環(huán)第4個直線節(jié)安裝的兩臺雙斜角插入件（即使用三塊小二極鐵使束流經(jīng)過這兩臺插入件時的路徑存在雙斜角，使在同一直線節(jié)上的兩臺插入件發(fā)出的光子束足夠分離，以同時向兩條束線供光），該束線站是旨在解決材料和能源重大問題的基礎性多功能研究平臺。在實際工程實施中，項目組克服了一系列的技術和管理上的挑戰(zhàn)，確保了項目的順利進行。本文以此為切入點，探討這一關鍵環(huán)節(jié)中的主要挑戰(zhàn)、應對策略及取得的成果。

1 插入件介紹

插入件（Insertion Devices，IDs）是一種特殊的磁鐵組合，其磁結構按周期性排列，如圖1所示。插入件主要分為兩類：波蕩器和扭擺器。由于它們產(chǎn)生的同步輻射光具有不同的特點和應用需求，因此它們對磁場的要求也有所不同。對于扭擺器，其主要關注特征能量和輻射功率等參數(shù)。扭擺器通常需要具有較高的峰值磁場，以獲得較高通量的光束，而波蕩器一般追求輻射光的單色性和高亮度等特性。通常情況下波蕩器的周期長度較短，周期數(shù)相對較多。上海光源的插入件包括多種類型，如常規(guī)扭擺器（Wiggler）、真空內波蕩器（In-Vacuum Undulators，IVUs）［2］和橢圓極化波蕩器（Elliptic Polarized Undulators，EPUs）［5-6］等常規(guī)插入件，以及超導扭擺器（Superconducting Wiggler，SCW）［7］、低溫永磁波蕩器（Cryogenic Permanent Magnet Undulators，CPMU）［8］等，目前共計24臺，其中有12臺是雙斜角安裝的插入件（Double Canted IDs）［8］。這些插入件在上海光源的束線工程中發(fā)揮了重要作用，為各種研究提供了多樣化的高品質同步輻射。

圖1 插入件磁排列示意圖Fig.1 Schematic diagram of the magnet array of the insertion devices

上海光源后續(xù)線站項目中有兩條用戶線站需要在儲存環(huán)的第4段直線節(jié)安裝了一臺常規(guī)扭擺器（Wiggler）和一臺真空內波蕩器（In-vacuum Undulator，IVU），圖2為這兩臺插入件的安裝機械圖，表1為Wiggler和IVU設計參數(shù)。其中扭擺器周期長度為100 mm，可調節(jié)的磁隙范圍在15~100 mm之間，峰值磁場強度為1.58 T。Wiggler全氣隙中，±16 mm橫向范圍內，Bx與By一次積分場波動在± 40 Gs·cm以內，多極場分量均滿足要求；二次積分場均在±12 000 Gs·cm2以內。真空內波蕩器周期長度為20 mm，可調節(jié)的磁隙工作范圍在6~30 mm之間，峰值磁場為0.84 T。IVU全氣隙中，±16 mm橫向范圍內，Bx與By一次積分場波動在±50 Gs·cm以內，多極分量均滿足要求；二次積分場均在±10 000 Gs·cm2以內，滿足設計要求。圖2中A標識了生成雙斜角的三塊小二極鐵，雙斜角的最大值一般由鋸齒墻出光孔的大小確定，最小角度一般由兩條光束線元器件安裝位置得以足夠分離的空間來確定［9-10］，該段直線節(jié)的兩臺插入件的夾角為8 mrad，與直線節(jié)中心線夾角分別為4 mrad，束流軌跡向儲存環(huán)內偏，其中IVU位于上游，Wiggler位于下游。圖2中B標識了兩臺插入件軌道擾動前饋補償線圈，均為水平和垂直組合的線圈，其中中間一個為兩臺插入件共用。

表1 扭擺器和波蕩器參數(shù)Table 1 Wiggler and IVU parameters

圖2 第4段直線節(jié)雙斜插入件安裝布置圖（左側為IVU，右側為扭擺器，A表示生成雙斜角的小二極鐵，B表示插入件軌道擾動補償線圈）Fig.2 Mechanical diagram of the installation of the double-canted insertion devices in the fourth straight section(The left side is the IVU and the right side is the Wiggler.A represents the small diode that generates the double-canted angle,and B represents the closed-orbit distortion compensation coil of the ID)

圖3為使用SPECTRA程序［11］計算的IVU20和Wiggler100的光譜圖。其中IVU的最高亮度為3 keV時的5.86×1019Photon·s-1·mm-2·mrad-2·(0.1%B.W.)-1，而能量為10 keV的光子亮度為2.18×1019。扭擺器的最高通量為3 keV時的2.75×1015Photon·s-1·(0.1%B.W.)-1，能量為10 keV的光子通量為1.92×1015，30 keV的光子仍具有4.50×1014的通量。

圖3 04IVU和04Wiggler光譜亮度(a)與通量(b)Fig.3 Spectral brightness (a) and flux (b) of 04IVU and 04Wiggler

2 插入件安裝工作

本節(jié)將介紹插入件的安裝工作，詳細討論在安裝過程中遇到的問題以及相應的高效解決方案。具體安裝過程如下所示：

1）安裝過程首先從拆卸直線節(jié)的原有設備開始。設備拆卸完畢后，由機械系統(tǒng)執(zhí)行插入件的地腳劃線、吊裝和準直操作，具體流程如下：

（1） 插入件標定，利用激光跟蹤儀測量插入件磁組件安裝面的幾何中心、基準線或基準面，根據(jù)相互關系，建立插入件本體坐標系，將插入件幾何中心轉移到插入件機架的靶標孔上，用以現(xiàn)場安裝；

（2） 按設計圖紙，根據(jù)插入件安裝位置前后四極鐵中心建立局部坐標系，得出在局部坐標系下插入件地腳坐標及靶標安裝坐標；

（3） 利用激光跟蹤儀進行安裝現(xiàn)場控制網(wǎng)測量，建立與設計圖紙對應的局部坐標系，根據(jù)圖紙地腳坐標進行地腳劃線打孔；

（4） 插入件吊裝粗就位，利用激光跟蹤儀根據(jù)靶標安裝坐標對插入件位置進行精確調整，調整完成后靶標實際坐標與安裝坐標差值小于0.1 mm。

2） 真空連接、檢漏和烘烤。

3） 完成隧道內工藝接線。

4） 機電聯(lián)調以及控制界面的遠程調試。

在正式開始安裝工作前，項目組應對插入件進行詳細的設備測試，包括機械運動測試、磁場測試和墊補、真空度測試等，確保其靜態(tài)指標滿足設計要求。其中機械運動測試主要對插入件的磁間隙運動控制進行測試，IVU和Wiggle的GAP運動范圍分別為6~30 mm和15~100 mm，定位精度好于±1 μm。磁場測試和墊補包括磁場點測和線測，通過點測測試插入件磁場的峰值磁場和相位誤差，通過旋轉線圈測試插入件的磁場一、二次積分，結果均滿足指標要求，如表1中所示。真空度測試主要是IVU離線極限真空測試，真空度好于5×10－8Pa，也滿足離線真空度要求。同時需確保對備品和備件有充足的了解，選擇經(jīng)驗豐富的技術人員，以減少不必要的成本并降低潛在風險［12］。具體問題分析如下：

1）真空盒工藝誤差。此類問題常見于插入件安裝階段，施工人員在安裝過程中發(fā)現(xiàn)真空盒尺寸誤差較大，出現(xiàn)焊疤等具體情況。此類情況發(fā)生后，由項目組現(xiàn)場評估，一般采取現(xiàn)場再加工或返廠維修更換等措施。后續(xù)線站項目曾經(jīng)發(fā)生過真空盒焊縫處尺寸超差1.5 mm的情況，安裝人員通過現(xiàn)場再加工，去除多余焊縫厚度，保證真空盒總體高度誤差滿足±0.5 mm要求。

2）安裝任務沖突。在實際操作過程中，受隧道內有限空間影響，并行任務往往出現(xiàn)互相干擾的情況，如在抽真空過程中不能同時進行工藝橋架改造和接線。后續(xù)線站項目在安裝插入件前期需排定項目優(yōu)先級，過程中遇到問題現(xiàn)場及時協(xié)調解決的方式，有力地減少了此類問題的發(fā)生。

3）項目安裝超期問題。安裝過程的突發(fā)問題會帶來超期問題，如上文所介紹的真空盒工藝誤差問題曾導致安裝任務延期兩天的情況。因此，原則上項目組應事先對風險進行深入評估，做好預案以應對此類問題。表2為項目組估算的后續(xù)線站項目安裝階段部分風險項及其預案。

表2 后續(xù)線站項目安裝階段風險項與預案Table 2 Risk items and contingency plans during the installation phase of subsequent beamline projects

3 插入件調試工作

插入件是由周期性磁鐵排列組成，理想情況下電子通過插入件的磁場積分為零。而實際情況中，受到制造工藝、安裝精度的制約，插入件的實際磁場存在不可避免的誤差，一次積分場和二次積分場不再為零，且隨著插入件間隙變化而變化。在調整插入件的磁間隙（gap）和相位（phase）時，一次磁場積分誤差導致的電子軌跡角度偏移和二次磁場積分誤差導致的位置偏移，必然會使束流閉合軌道產(chǎn)生偏離，對加速器的運行性能造成影響。由于上海光源的儲存環(huán)包含多個插入件，每個插入件在運行時引發(fā)的軌道擾動各不相同，這對儲存環(huán)的軌道穩(wěn)定性產(chǎn)生了顯著影響［13-14］。為盡量克服此問題，我們采用了軌道前饋補償法［4，15-16］。

插入件軌道前饋補償法是指通過在插入件兩端設置校正子，局部補償插入件調節(jié)過程中造成的閉軌擾動，從而盡可能消除其對儲存環(huán)軌道穩(wěn)定性的影響［16］。由于插入件對軌道擾動的重復性較好，實際調試中可以通過建立前饋表的方式來進行補償。根據(jù)插入件的特性，前饋表分為一維（平面型插入件）和二維（如橢圓極化波蕩器）兩種，主要包括gap和shift值及所對應的校正子補償量。平面型插入件僅有磁間隙一個變量，因而其前饋表是一維表。但橢圓極化波蕩器插入件不僅可以調節(jié)磁間隙，還可以調節(jié)磁極的縱向相對位置，因此需要測量二維前饋表。通常情況下，扭擺器的積分場相對較大，對束流動力學造成的擾動也較大。相比扭擺器，真空內波蕩器一般對束流的軌道擾動較小。

第4段直線節(jié)的插入件軌道前饋校正子如圖2中所示，其中中間的校正線圈為兩臺插入件共用，前饋補償量為兩臺插入件設置值的疊加。我們利用基于響應矩陣的梯度下降法對IVU和Wiggler進行了軌道前饋表的測量，結果如圖4所示，其中包括IVU和Wiggler軌道補償前后的全環(huán)擾動量（圖4（a））和4個前饋電源與gap的變化關系（圖4（b））。表3列出了IVU和Wiggler加與不加軌道前饋時，對束流軌道的擾動量（全環(huán)均方根值，Root-Mean-Square，RMS）。圖4中，實線表示未加軌道前饋前的水平和垂直軌道畸變的RMS值；虛線則表示加軌道前饋后的水平和垂直軌道畸變的RMS值；En-HorCC和En-VerCC分別表示插入件入口的水平和垂直補償電流；Ex-HorCC和En-VerCC分別表示插入件入口的水平和垂直補償電流。為了確保IVU和Wiggler在不同間隙下軌道擾動都能得到較好的補償，我們測量了IVU磁間隙從30 mm至6 mm之間的25個間隙點，對于Wiggler，測量了磁間隙從100 mm至15 mm之間的30個間隙點。

表3 IVU和Wiggler加軌道前饋前后軌道擾動匯總及積分場誤差Table 3 Summary of closed-orbit distortion before and after feedforward, and the integral field errors of IVU and Wiggler

圖4 軌道補償前后IVU和Wiggler的全環(huán)擾動量(a)，4個前饋電源與磁間隙的變化關系(b)Fig.4 Schematic of total disturbance momentum of IVU＆amp;Wiggler before and after orbit compensation (a), the relationship between the four feedforward power supplies and variation of magnetic gap (b)

由圖4可知，在加軌道前饋校正之前，IVU對水平軌道和垂直軌道最大擾動分別為26 μm和40 μm，Wiggler對水平軌道和垂直軌道最大擾動分為36 μm和22 μm。其中，水平方向最小間隙下，軌道畸變并不是最大的原因是插入件的設計和制造過程中采用了墊補技術，降低了最小間隙時的積分場誤差。經(jīng)過軌道前饋校正后，IVU和Wiggler最大軌道擾動均小于2 μm。前饋電流相對于間隙變化的平滑性較好，一般可以通過插值法來補償任何間隙的軌道擾動?？傮w來說，插入件軌道前饋補償法可以有效地補償插入件對束流閉軌的影響。

4 束流真空清洗

前端區(qū)在受到同步輻射光照射后會瞬時放氣影響真空度，在正常運行中為了不因此影響供光，需要預先使用合適的老練方式（真空清洗）降低放氣概率，上海光源一般在插入件和前端區(qū)安裝結束后進行該工作。根據(jù)以往的經(jīng)驗，新增光束線站前端區(qū)真空度要達到基本不影響儲存環(huán)真空度的程度，需要兩到三年時間。鑒于此，后續(xù)線站項目優(yōu)化了工作方案，將束流真空清洗分為被動或主動兩種模式。主動模式是在儲存環(huán)存在一定束流時，通過人為調節(jié)插入件磁間隙，使用同步輻射光進行真空清洗，這樣可以在短時間內大幅度改善局域真空。被動模式則是拉開相應插入件，僅使儲存環(huán)和前端區(qū)真空室連接后，僅靠前端區(qū)內表面緩慢放氣，完成清洗過程。被動模式的優(yōu)點在于安全性高、對全環(huán)的影響較小、不需要耗費專門的時間，可以和其他的工作同步進行。上海光源后續(xù)線站項目實際調試通常采用兩種模式相結合的方法（被動→主動→被動）進行，這樣在確保設備安全的前提下可實現(xiàn)最佳清洗效果。

圖5為第4段直線節(jié)新增束線前端區(qū)的一次真空清洗過程。初期提升流強的過程中，操作人員密切觀察該區(qū)域和全環(huán)真空度，提升完畢后通過束流decay的方式清洗真空，期間可同時進行一些機器研究工作。在清洗進行至6 h左右時，操作人員因機器研究任務進行了踢束，真空度也隨之降低至最低點。束流真空清洗過程中會根據(jù)現(xiàn)場評估的方式不定時補注束流，保證真空清洗效果。為保證上海光源高質量供光，盡可能降低對全環(huán)真空的影響，束流真空清洗一般不宜超過12 h。完成任務后，操作人員關閉安全光閘后，前端區(qū)真空度隨之降低。由圖5可知，在清洗過程中，前端區(qū)真空度隨著束流清洗時間增長逐步下降，200 mA流強下的真空度已由清洗開始的1.87×10-5Pa下降至9.20×10-6Pa，耗時未超過12 h。通過優(yōu)化真空清洗方法，目前儲存環(huán)C04前端區(qū)靜態(tài)真空度已達9.78×10-8Pa，大幅提升了真空清洗效果。

圖5 新增束線工程前端區(qū)真空清洗過程Fig.5 Vacuum cleaning of the front-end area of a new beamline project

5 運行過程中遇到的問題

表4列出了上海光源投入運行以來影響光源總體供光，與束線站及前端區(qū)相關的故障，其中，聯(lián)鎖邏輯錯誤、前端區(qū)真空異常及安全光閘硬聯(lián)鎖是最常見的問題。這些問題在運行過程中得到了逐步解決，后續(xù)線站項目相關的事項也基于這些優(yōu)化的方案來處理，因此在相應的安裝調試過程中未出現(xiàn)過這些問題。因其經(jīng)驗對今后的工作比較重要，故將相關的解決方案作如下歸納。

表4 線站運行過程中常見故障分析Table 4 Analysis table of common faults during beamline station operation

1）聯(lián)鎖邏輯錯誤。聯(lián)鎖邏輯錯誤在上海光源的早期工程中較為顯著，同時部分設備如溫度計、水流量計、真空計存在“過保護”的問題。上海光源插入件系統(tǒng)的聯(lián)鎖要求是保護插入件真空室及其對應的光束線，當插入件系統(tǒng)出現(xiàn)可能損壞設備的故障時，機器聯(lián)鎖系統(tǒng)（Machine Protection System，MPS）會采取如下措施：禁止儲存環(huán)高頻系統(tǒng)功率輸出以打掉束流；禁止儲存環(huán)注入系統(tǒng)工作；禁止直線系統(tǒng)電子槍觸發(fā)。上海光源早期為確保安全，對可能的風險點都進行了聯(lián)鎖保護。然而，這樣的“過保護”策略在誤報警和監(jiān)測元件失靈等因素的干擾下，對光源的穩(wěn)定運行產(chǎn)生了不利影響。為解決此問題，上海光源團隊對所有聯(lián)鎖進行了全面檢查和修正，確保聯(lián)鎖邏輯更為合理。以插入件真空硅信號聯(lián)鎖為例，為避免真空設備誤報警導致聯(lián)鎖系統(tǒng)打掉束流的情況，上海光源團隊將聯(lián)鎖邏輯由單一真空硅信號聯(lián)鎖踢束修改為相鄰兩個真空硅信號聯(lián)鎖踢束。通過這些努力，聯(lián)鎖邏輯錯誤已大幅減少，并在2018年后幾乎全部消失［17-18］。

2）前端區(qū)真空異常。這種問題的原因通常是真空泄漏或瞬間氣載。此類故障影響巨大，極端情況下可能導致儲存環(huán)真空破壞，包括超導腔［19］、三次諧波腔［19］、IVU在內的一系列精密裝置無法運行。為保護儲存環(huán)真空免受影響，故障發(fā)生后前端區(qū)自動關閉快閥和慢閥［20］，同時光束線控制系統(tǒng)會發(fā)出真空泄漏報警信號至機器保護系統(tǒng)，由機器保護系統(tǒng)執(zhí)行踢束。氣載包括靜態(tài)熱解析氣載和光電解析氣載［21］。在前端運行初期，光電解吸氣載較大，容易出現(xiàn)真空異常，經(jīng)過一段時間的清洗，光致解吸氣載會逐漸降低［21］。所以高質量的前端區(qū)真空清洗對新束線和光源的整體運行極為重要。因此，如第四節(jié)討論的，上海光源后續(xù)線站項目采取了前端區(qū)主動加被動真空清洗的方案。

3）安全光閘硬聯(lián)鎖。為確保線站用戶的安全，上海光源最初設置了安全光閘硬聯(lián)鎖［17］。安全光閘硬聯(lián)鎖要求束線前端區(qū)的安全光閘處于打開狀態(tài)等情況下，禁止儲存環(huán)進行常規(guī)注入。但這導致了在實際操作中，即使加速器準備就緒，但線站光閘不能及時關閉，從而導致延誤。為解決此問題，上海光源在中央控制室增設了光束線站安全總閘，中控運行人員可在注束前后通過安全總閘遠程強制關閉或打開所有線站安全光閘，確保了用戶的安全并提高了效率。

6 結語

本文探討了已運行光源新增束線項目中加速器部分的主要工作，包括新增光束線站插入件的設計、安裝、調試和真空清洗等。在插入件設計方面，文章介紹了后續(xù)線站項目中波蕩器和扭擺器的基本參數(shù)和用途。插入件安裝部分全面梳理了現(xiàn)場安裝準直工作流程，分析安裝過程中常遇到的三個問題包括：真空盒工藝誤差、安裝任務沖突、項目安裝超期等，并給出解決方案。插入件調試方面，對第4段直線節(jié)新增線站IVU和Wiggler進行軌道前饋設置的測量，IVU和Wiggler最大軌道擾動均可有效地抑制在小于2 μm的水平。該雙斜插入件Wiggler的光通量和Undulator的光亮度均滿足設計要求。束流真空清洗工作部分詳細介紹了其意義和最優(yōu)方案，后續(xù)線站項目前端區(qū)真空度達標時間大幅縮短。采用了光源運行過程中的聯(lián)鎖及其他優(yōu)化方案，后續(xù)線站項目實施過程中，與光束線及前端區(qū)相關的故障被有效避免。

致謝本文在寫作過程中得到了上海光源后續(xù)線站項目組和陳建鋒老師的大力支持和幫助，在此表示感謝！

作者貢獻說明焦廣為負責實施研究，分析、解釋數(shù)據(jù)，起草文章；田順強負責全面指導，文章審閱修改，行政、數(shù)據(jù)支持；相升旺負責實施插入件安裝和設計部分研究，圖形設計；朱亞負責實施插入件安裝和設計部分研究，采集、分析數(shù)據(jù)；劉新忠負責實施插入件調試部分研究，采集、分析、解釋數(shù)據(jù)，修訂文章；吳帥負責實施真空清洗部分研究，采集、分析數(shù)據(jù)。