东方科技论坛第86次学术研讨会于2006年12月7—8日在上海沪杏科技图书馆举行。本次论坛由中国科学院上海应用物理研究所承办，主题为“第三代同步辐射光源束流轨道稳定性问题”。中国科学院上海应用物理研究所副所长、上海光源副总经理赵振堂研究员为本次论坛执行主席并主持了会议。
来自美国斯坦福直线对撞机中心（SLAC）、瑞士光源（SLS）、日本同步辐射光源研究所SPING—8与日本高能物理研究所（KEK）、韩国浦项光源（PLS）、中国科学院高能物理研究所、中国科学技术大学、上海建筑设计研究院、上海大学和中国科学院上海应用物理研究所等单位的约50位国内外专家参加研讨会。会议期间，共有16位专家作了精彩的专题发言，并就第三代同步辐射光源用户对束流轨道稳定性的要求、束流轨道变动噪声源的测量方法与抑制措施（包括大地振动测量与抑制等）、以及轨道控制方案等进行了深入地研讨。
一、会议背景
同步辐射光源是特殊的大科学装置，能够提供从硬X射线到远红外波段的高亮度光束。自1947年首次观察到同步辐射以来，同步辐射光源的发展已经历了三代。到上世纪80年代末，各国竞相建造的高耀度的第三代同步辐射光源使得同步辐射应用扩展为动态的、空间分辨的和时间分辨的手段，为众多的学科和广泛的技术应用领域带来前所未有的新机遇，不仅大大推动了同步辐射在众多前沿学科领域中的应用，在产业应用领域也展示出诱人的前景，已开始产生良好的经济效益。
目前世界上已建成的第一代同步辐射光源有17台，第二代有23台，第三代同步辐射光源有11台，正在建造和设计的第三代同步辐射光源有13台。预计到2010年前后，每天将有上万名科学家和工程师同时使用这些同步辐射光源，从事前沿科学研究和高新技术开发。
我国正在上海张江高科技园区建造的上海光源是一台性能先进的第三代同步辐射光源。上海光源工程是我国迄今最大的大科学工程，也是上海市科教兴市重大工程项目。它于2004年12月正式开工，将于2009年初建成投入运行。上海光源建成后将极大地推动我国许多前沿重要领域基础研究和高新技术开发应用研究，是我国新世纪不可缺少的大科学平台。
束流轨道稳定性是第三代同步辐射光源最关键的性能指标之一，也是当今第三代同步辐射光源建造成功与否的重要判据之一。一方面，同步辐射光源电子储存环中束流轨道中心相对于磁铁中心的横向位置偏离将对储存环的动力学性能产生影响，导致X射线光斑大小变化、动力学孔径损失、注入效率降低以及束流寿命减小等。另一方面，同步辐射光源点束流轨道变化会造成实验站上光斑位置及光通量的波动；对于那些数据获取时间长的实验来说，光斑位置及光通量波动的影响相当于束流发射度的增长及光源亮度降低；而对于那些数据获取时间短的实验，光斑位置及光通量波动将造成实验数据噪音和测量精度降低等。而这些影响对于发射度低、束斑小、光亮度高的第三代同步辐射光源来说尤其重要。
第三代同步辐射光源的电子束斑水平大小为100—200微米、束斑垂直大小仅为5—10微米。同步辐射实验通常要求光源点电子束轨道稳定度需控制在束斑大小的10%以内，相应地要求束流水平轨道稳定度为10微米左右，束流垂直轨道稳定度仅为—1微米。目前，国际上各大第三代同步辐射光源束流轨道稳定性已达到上述要求，甚至部分先进光源，如瑞士光源（SLS）和欧洲光源（ESRF）等已将束流轨道稳定性目标控制到束斑到小的5%以内，实现了亚微米束流轨道稳定性。
然而，众多因素会影响同步辐射光源的束流轨道稳定性。有三大类因素会导致光源的束流轨道漂移：1）随时间缓慢变化的因素，如地基变形；2）随时间慢变化的因素，如隧道温度变化、同步辐射功率随时间衰减、插入件间隙变动、空调器和压缩机等会引起磁铁、真空盒以及作为束流轨道校正的基准的束流位置探测器的运动；3）随时间快变化的因素，如机械振动、电源纹波等。
二、会议内容
来自美国斯坦福直线对撞机中心(SLAC)的 R. Hettel博士首先作了“第三代同步辐射光源束流轨道稳定性要求”的专题报告。不同测量目标的实验对同步辐射光稳定性指标也不同，取决于光束线镜子布局情况和实验样品尺寸所确定的孔径。该孔径是一个六维相空间(x, x?, y, y?, E, t)中在一维或多维接近光斑尺寸边界的子空间，相对于这一边界的束流轨道运动将造成测量中的噪声。稳定性要求也是时间的函数, 根据实验采样率、数据积分时间及扫描周期不同等，时间尺度从亚微秒到几个小时甚至更长。第三代同步辐射光源储存环中的稳定性要求包括微米和亚微弧度的电子束轨道稳定性、皮秒级定时稳定性及百万分之一的能量稳定性等，这对加速器设计者提出了一个艰难的挑战。报告还给出了如SSRF一样的第三代同步辐射光源的稳定性指标。
中国科学院上海应用物理研究所赵振堂研究员作了题为“上海光源束流稳定性的挑战与应对措施”的专题报告。他指出：正在浦东张江高科技园区建造的上海同步辐射光源是一台能量为3.5GeV的第三代同步辐射装置；在取得束流高稳定性这一光源关键特性方面，上海光源除了面临与其他第三代光源一样的问题外，浦东张江园区的地质与周边交通等条件使其遭遇更为严峻的挑战。他分析了影响上海光源束流稳定性的各种因素，特别是上海光源所在地的场地振动幅度大，高于国际上同类型装置；并介绍了为取得亚微米级束流轨道稳定性目标采用的综合技术措施，包括对地基的减振措施进行了深入研究（含数值模拟研究及实验研究），并对场地及地基底板上的振动进行详细测量，设计建造了高性能大支架，设计建造高稳定度恒温水系统和空调系统，采用高精度数字化电源，并设计了束流轨道反馈系统等。
瑞士光源（SLS）的Michael Boege博士作了“瑞士光源的亚微米束流轨道稳定性”专题报告。报告指出瑞士光源的设计目标为光源点束流轨道从1mHz到100Hz宽频内实现亚微米的稳定性。为了达到这个目标,在设计各种加速器组件时（如支架、磁铁、电源和束流诊断系统硬件等）都加入了强约束条件。基于高性能束流BPM和X—BPMs的全环轨道快反馈已被证明是抑制束流轨道变化的十分有效措施。另一个实现亚微米束流轨道稳定度的关键措施是采用可以维持束流流强稳定从而使加速器和实验元件的热负载效应恒定的Top—up的注入模式。报告讨论了SLS束流轨道稳定性线装，还探讨了将来轨道稳定性再提升的前景。
日本同步辐射研究所的Kouichi Soutome博士作了“Spring8的恒流注入与束流轨道稳定性”专题报告。他首先强调了提供稳定的X射线束给用户对于精密实验的必要性。为了光束位置稳定必须抑制束流轨道变化，另外使储存环中束流流强恒定的恒流（top—up）注入方式可有效地确保同步辐射光强度稳定。Spring—8努力地研究了各种各样引起轨道变化的因素来源，像磁铁电源的变化，冷却水引起的真空室振动等。Spring—8还改进了束流轨道校正系统和相应的测量系统。为了top—up注入，Sping8采用减小由于注入引起的储存电子束的振动、减小注入电子束损失、保持长期高纯度的单束团注入等多种措施。他还报告了Spring—8在束流轨道稳定性现状及和top—up注入运行模式的性能。
韩国浦项光源（PLS）的Jin Hyuk Choi 博士作了“PLS 束流轨道稳定性研究进展”的专题报告。浦项光源（PLS）是一台自1995年作为用户装置的同步辐射装置。目前浦项光源2.5GeV电子直线加速器一天两次注入电子束，储存环最大束流流强为200mA。为了提高轨道稳定性，在过去的两年中，升级改造了一系列主要装置设备，例如校正铁电源和BPM测量系统。校正铁的电源升级为由PSI和DIAMOND基于FPGA和DSP开发的20—位数字化电源控制电源。一套全环的轨道慢反馈系统可以在1小时内得到均方根为1mm 的轨道稳定性，在一天内稳定性可以在3mm 之内。为了减小由于插入件间隙变化带来的轨道变化，建造了束流横向振荡频率及束流轨道的前反馈系统，该系统工作于10Hz。
中国科学院北京高能物理研究所的秦庆博士作了题为“北京同步辐射装置的束流轨道稳定性状态”的专题报告。北京同步辐射装置（BSRF），作为基于北京正负电子对撞机（BEPC）的科学平台，已经顺利运行了16年。BEPC属于第一代同步辐射光源，它利用专用光模式，在过去的十几年中为大量的用户提供同步辐射光。随着用户需求的增加和提高，轨道稳定性越来越成为一个严重的问题。BEPC重大改造项目——BEPCII，将把BEPC的性能提高100倍，也同样将给BSRF带来更稳定的束流。
中国科技大学的王琳博士作了题为“合肥光源轨道稳定性状态和计划”的专题报告。他首先回顾了2005—2006年运行中合肥光源轨道稳定性状态；并应用束流轨道响应矩阵理论上估计了各种因素对束流轨道稳定性的影响，同时结合运行中束流轨道稳定性表现，猜测磁铁温度变化是当前影响束流轨道稳定性的主要因素，同样波荡器磁极间隙变化也导致束流轨道发生变化。合肥光源采用轨道慢反馈后，束流轨道的再现性和稳定性得到大幅度改善，轨道变化减小半个数量级，满足同步辐射用户的要求；目前仍然存在一些未知因素影响轨道慢反馈的效果和表现，需要在未来运行和机器研究中进一步深入研究。
中国科学院上海应用物理研究所的刘桂民博士作了题为“上海光源束流轨道稳定性分析”的专题报告。他分析了大地振动、磁铁电源稳定度、恒温水及隧道空调等对上海光源束流轨道稳定性的影响，并根据上海光源束流轨道稳定性目标给出了各硬件系统的稳定性指标。
美国斯坦福直线对撞机中心(SLAC)的 Jeff Corbett博士作了“SVD在束流轨道校正中的应用”的专题报告。他介绍了奇异值分解（SVD）算法的基本理论及其在第三代光源储存环束流轨道校正与反馈系统中的应用。
中国科学院上海应用物理研究所的后接作了题为“上海光源的束流轨道畸变校正及慢反馈”的专题报告。上海光源的束流轨道校正系统采用140个BPM及水平和垂直方向各80个校正铁进行闭轨畸变的校正，该系统同时也能满足轨道慢反馈（<0.1Hz）的硬件需求。他还介绍了基于AT（Matlab）用响应矩阵SVD方法对束流闭合轨道畸变校正和轨道慢反馈模拟研究的结果。
上海建筑设计研究院的黄绍铭教授级高工作了题为“上海光源工程储存环隧道和试验大厅基础底板防微振设计阶段成果简介”的专题报告。他首先从上海光源工程的场地地基条件、场地环境振动、微振动控制要求三方面，介绍了上海光源工程储存环隧道和试验大厅基础底板防微振设计难点；然后介绍了上海光源工程采用的与现场微振动实测和分析相结合的分阶段设计方法和阶段性成果；最后介绍了上海光源工程防微振设计前期工作评价和下一步工作计划及建议。
中国科学院上海应用物理研究所的欧阳联华博士作了“上海光源大地振动测量”的专题报告。他介绍了在光源建造过程中对场地进行的多次微振动测量；其中有SSRF单独进行的，也有和DESY合作的；并报告了双方的测量设备、数据处理方法和结果。
日本高能物理研究所（KEK）的K. Haga博士作了题为“PF储存环振动测量”的专题报告。他在报告中给出了KEK光子工厂（PF）2.5GeV储存环隧道和磁铁的振动测量的结果，并介绍了在1到100Hz频段的分析结果。结果显示振动主要来源于隧道顶部和实验大厅周围的八台空调机。这些空调的典型频率在10到20Hz之间。同时储存环隧道顶部和储存环磁铁也主要在这个频段振动并且振动的强度随着与空调的距离而减小。当所有的空调停止工作以后，可以发现四极磁铁和支架对基频附近的横向振动的放大。
中国科学院上海应用物理研究所的殷立新博士作了“海光源储存环机械系统主体结构和动力学特性”的专题报告。在上海光源储存环中，每个单元的磁铁分为五组，其中四极磁铁和六极磁铁安置在三个钢构支架上，二极磁体直接支撑在两个混凝土底座上。主体钢构采用三点支撑，楔块调节机构方案。通过有限元分析方法对结构进行了优化，设计的钢构――磁铁共架结构的第一阶固有频率为30Hz。为了确认共架结构的动力学特性，建立了一台实体模型，并进行了一系列的实验测试，测试结果为模型的径向第一阶固有频率在20Hz左右。在储存环首批设备制造完成后（包括磁铁、支架、真空室、束测件等），将其组装成一个单元实体，并在其上又进行了详细的测试。为了减小大地振动向磁铁的传递，对阻尼结构和辅助支撑结构进行了研究。在分析与测试工作的基础上，对现有结构设计将进行一定的改进，并最终确定工程结构。
中国科学院上海应用物理研究所的陈建辉作了“上海光源储存环闭合轨道对磁铁振动响应研究”的专题报告。他报告了通过解析和模拟分别对上海光源储存环闭合轨道对随机和平面波型磁铁振动的响应模拟计算，模拟计算证实了支架的局部补偿效应对于减小这个响应非常有效。他还比较了组合型与分离型磁聚焦结构对磁铁振动的响应，并报告了基于响应的计算和支架的传递函数得到的粗略计算由地基振动引起的闭轨畸变的方法。并以上海光源为例，介绍了场地地基振动引起的储存环闭轨畸变的估算结果。
中国科学院上海应用物理研究所的冷用斌博士作了“上海光源储存环束流位置监测系统实施现状及轨道反馈系统计划”的专题报告。上海光源储存环束流位置监测系统由140组纽扣电极型束流探头和140套一体化数字BPM处理器组成。束流探头组件由日本京瓷公司承接加工，将于明年上半年到货。基于FPGA技术的一体化数字BPM处理器可以在10Hz以及10kHz带宽条件下达到亚微米的分辨率。轨道反馈系统将分两个阶段实施完成：第一阶段，将在机器调试期间将在MatLAB平台上建立一个基于EPICS CA数据通讯的慢反馈系统（刷新率几Hz）；第二阶段，将在调试运行后的一至两年内建立一个由专用VME反馈控制器、专用数据交换网络、数字化电源控制器组成的快轨道反馈系统（刷新率几kHz）。
三、会议目的及收益
本次会议旨在研讨同步辐射实验对第三代同步辐射光源的束流轨道稳定性要求、各类因素对储存环束流轨道稳定性的影响、如何剔除第三代同步辐射光源的主要噪声源、如何合理设计支架系统并采用有效的振动阻尼，以及如何设计建造适当的轨道反馈系统，从而实现束流轨道稳定性目标（亚微米）。
本次会议聚集了国内外同步辐射光源专家、建筑设计专家于一堂，一齐研讨第三代同步辐射光源束流轨道稳定性问题，畅所欲言，各抒己见，气氛热烈，达到了预期的目的。本次会议对我国正在建造的国家重大科技工程、上海科教兴市重大工程项目—上海光源实现亚微米束流轨道稳定性具有重要意义。
四、专家共识
经过两天的交流和讨论，与会专家达成以下共识：
1、实验要求第三代同步辐射装置束流轨道稳定性的为束斑大小的10%至5%；
2、场地振动是第三代同步辐射装置束流轨道晃动的重要因素，必须仔细设计地基，并避免场地附近的重要振动源；
3、束流轨道反馈系统及恒流注入是实现第三代同步辐射光源束流轨道目标的有效手段。
|
