1. 磁铁系统

HALF是电子束流能量为2.2 GeV、自然发射度为85 pm·rad的第四代同步辐射光源，整个加速器装置是由满能量电子直线加速器和软X射线衍射极限电子储存环组成，储存环上共有680块主磁铁，包括纵向梯度二极磁铁（LGB）、反向偏转组合磁铁（RB）、四极磁铁（Q）、六极磁铁（S）和八极磁铁（O）。储存环由20个单元组成，图1是一个标准单元的磁铁布局，所有多极磁铁强度的可调范围是工作强度的80%–125%，尽管遇到很多技术挑战，所有磁铁都已成功地研制。

图1  HALF储存环一个标准单元的磁铁布局

为了降低束流发射度，HALF储存环使用了磁场沿着电子轨迹变化的纵向梯度二极磁铁（LGB）。虽然永磁纵向梯度二极磁铁可以做到体积小和运行费用低，但其磁场强度可调范围很小，不满足HALF未来升能需要。HALF纵向梯度二极磁铁采用电磁变间隙结构，保证了磁场强度的大范围可调。电磁变间隙纵向梯度二极磁铁也是首次使用在第四代同步发射光源上。表1总结了HALF纵向梯度二极磁铁的设计参数，图2为三种纵向梯度二极磁铁的实物图。

表1：HALF储存环纵向梯度二极磁铁的设计参数汇总

^*好场区范围内轨迹积分场的偏差小于0.05%。

图2 三种纵向梯度二极磁铁（LGB1、 LGB2和 LGB3）的实物图

使用遗传算法（NSGA-II）对磁铁极面进行优化设计，完成了HALF储存环的多极磁铁的物理设计和LGB的极面形状垫补，达到了最好的设计效果。图3是储存环上每一类多极磁铁的实物图。

图3 多极磁铁（反向偏转组合磁铁、四极磁铁、六极磁铁和八极磁铁）的实物图

2. 磁测系统

磁铁测量团队负责测量直线加速器和储存环磁铁的磁场性能。为此，研发了三类测量设备：旋转线圈磁测系统、张力线磁测系统和霍尔点测磁测系统。

如图4所示，旋转线圈磁测系统基于法拉第电磁感应定律，用于测量积分场梯度、多极场分量及磁中心位置。该系统专用于评价四极和六极磁铁的磁性能。旋转线圈系统最重要的技术参数之一是其测量重复性。本系统测量多极场分量的重复性达到约20 ppm。

图4  旋转线圈磁测系统

如图5所示，我们设计、制造张力线磁测系统用于测量积分场强度及磁铁中心位置。该系统的张力线为穿过磁铁孔径的单根导线，并在水平或垂直方向做微小平移运动，导线中产生的积分电压与磁通量的变化成正比。我们使用该系统测量多极磁铁的磁中心位置并进行准直基准的标定。本系统达成的磁中心测量精度优于2微米，磁铁准直基准标定的不确定度小于10微米。与国际上普遍使用的其他方法相比，测量精度达到先进水平。

图5 张力线磁测系统

如图6所示，霍尔点测系统基于霍尔效应原理，能够高精度地测量磁感应强度在三维空间的分布。该系统用于测量二极沿束流方向的磁场分布及积分场强度，并用来对多极铁的积分场进行校准。霍尔点测系统最关键的性能指标之一是其积分场测量重复性，本系统测量二极铁的重复性达到约20ppm，为国内先进水平。

图6 霍尔点测系统

3. 注入系统

注入系统的作用是将注入器来的束流注入到储存环中，并累积起来，随后以top-off的方式运行，这种运行模式以一定的时间间隔不断补充束流损失，达到恒流运行的目的。

HALF前期调试采用基于反切割磁铁（Anti-Septum）的局部凸轨注入方案，如图7所示，后期运行采用脉冲非线性磁铁（NLK）注入方案。在切割磁铁下游安装了一台双通道 kicker（即反切割磁铁）。该双通道 kicker 与传统 kicker K1 和 K3 配合使用，产生局部凸轨。注入束团通过该双通道 kicker 时不会受到额外偏转。在这种方案中，注入束团与储存束团之间的间距可以更小，从而降低对动力学孔径的要求。NLK 位于 K2 和 K3 之间，这两种离轴注入方案彼此兼容，且所有所需磁铁均可安装在一个长直线节中。

图7 局部凸轨注入方案示意图

4. 高频系统

HALF储存环的高频系统由一套500 MHz超导主高频腔系统和一套无源被动的1.5 GHz超导三次谐波腔系统组成。主高频系统的功能是为储存环中的束流补充同步辐射造成的能量损失。采用超导主高频腔，能对高阶模（HOM）实现良好的抑制，减弱束流耦合束团不稳定性。该系统主要包括500 MHz超导高频模组、固态功率源、功率传输系统、数字低电平系统以及安全联锁系统，其三维布局图如图8所示。为了在保持相对高品质因数的同时深度抑制高阶模，HALF超导主高频腔在腔型与尺寸上进行了一些局部优化。

图8 超导主高频系统三维布局图

超导三次谐波腔系统的功能是拉长束团以抑制束内散射效应与束流不稳定性并增加束流寿命。三次谐波腔模组纵向长度为1844 mm，高度为2450 mm，整体结构如图9所示。该腔体具有两个不同半径的束流管道，这使得制造工艺比带凹槽束流管道（梅花束管）的谐波腔要简单得多。值得一提的是，为了避免热循环过程中腔体真空泄漏，液氦槽与超导三次谐波腔焊接在一起，如图10所示，这与其他超导模组液氦槽与超导腔相互分离的结构存在显著差异。

图9 超导三次谐波腔模组整体结构图

图10 液氦槽与超导三次谐波腔焊接在一起的结构图

5. 束测系统

束测系统是合肥先进光源（Hefei Advanced Light Facility，HALF）储存环的关键子系统之一，在装置的调试、验收测试以及用户运行等关键阶段都将发挥至关重要的作用，需要为评估机器运行性能提供精确且全面的束流参数信息，同时需要为加速器物理学家提供实时数据与诊断工具，全方位保障加速器的稳定、高效运行。为满足上述要求，束测系统应具备束流位置、流强、寿命、填充模式、工作点、束流截面/发射度、束团长度以及束流损失等关键参数的实时测量能力。此外，为有效确保轨道和束流的稳定性，还需包含逐束团反馈与快速轨道反馈子系统，为HALF储存环的高质量运行奠定坚实基础。

一、系统总体架构

HALF储存环束测系统由多个相互协同的子系统构成，各子系统围绕束流测量与反馈的核心目标，从不同维度为储存环的运行提供精准支持，具体功能、技术指标要求及数量汇总如下表所示：

全环束测探头布局如下图所示：

二、子系统的技术方案及主要技术参数

（一）束流位置测量子系统

实现对全环20个单元共计240个监测点的束流轨道测量，采用小直径纽扣电极作为束流探针，配备自研的数字化束流信号处理器，采用双导频及高过采样比技术实现束流信号幅度精确提取，完成束流横线位置的精确测量，可同步输出闭轨数据、快速反馈数据以及逐圈数据，满足不同运行场景下的数据需求。在束流流强高于100 mA的条件下，闭轨数据（采样频率10 Hz）的分辨率需好于50 nm；快速反馈数据（采样频率20 kHz）的分辨率需好于200 nm；逐圈数据的分辨率需好于1 μm。在注入直线段额外安装两套纽扣电极，并配套专用的逐束团处理器，实现对每个束团的实时三维位置、束团长度和电荷量的测量，为注入瞬态过程和束流不稳定性的监测分析提供更强大的诊断工具，特别是在储存环调束首日及早期阶段的注入累积优化提供更多诊断信息。

（二）束流强度测量子系统

采用Bergoz公司法兰内直流电流互感器（DCCT）探头，配备定制化高速（采样率最高可达2MHz）高精度（24 bits）流强信号处理器，可同时实现平均流强的慢速（1Hz采样率）超高精度（0.6uARMS）测量，以及高速（300Hz采样率）高精度（2uARMS）测量，得益于高流强采样率束流寿命的精确计算可在1秒内完成；采用短条电极结合专用逐束团信号处理器，采用两点分相采样补偿技术实现信号幅度精确提取，完成对每个束团电荷量及逐束团寿命的测量，要求逐束团电荷量相对分辨率好于0.05%。

（三）工作点测量子系统

提供包括扫频法及BPM逐圈位置数据谐波分析法在内的两种以上的工作点测量手段，实时发布工作点测量结果，满足不同场景下的测量需求。在束流注入周期内，采集BPM逐圈位置数据进行谐波分析，通过定位残余Beta振荡共振峰频率来实现实时工作点测量，该方案依托已有BPM探头的位置测量数据，无需额外复杂的硬件配置，即可在注入过程中快速获取工作点参数。非注入周期内工作点的测量，采用专用条带电极和差分射频前端，监测束流位置残余振荡信号，实现高灵敏度、非扰动式的实时工作点测量，该方案避免了对束流的干扰。两种测量方案的分辨率均需小于0.0001，为工作点的精准调控提供可靠依据。

（四）束流诊断束线子系统

从两个不同光源点引出X射线和可见同步光信号，搭配多种高精度成像与测量设备，实现对束流参数的精细化诊断。第一条诊断线为X射线聚焦成像诊断子系统，采用基于菲涅尔波带片的X射线聚焦成像系统，分辨率好于2 μm，实现对束流截面的高精度X射线成像及截面尺寸精确测量，主要用于装置测试验收及机器研究阶段。第二条诊断线包括X射线针孔相机、可见光空间干涉仪、可见光条纹相机三个子系统。X射线针孔相机用于在线实时快速获取束流的截面分布动态变化信息，主要用作调束及装置运行状态监测工具。可见光成像系统及可见光空间干涉仪结构简单、便于调试，主要用在装置调束初期，作为早期的束流横向分布快捷监测及诊断工具，保障调束手机就有足够的观测手段。条纹相机主要用于束团长度的精确测量及束流纵向不稳定性观测分析，要求时间分辨率好于2 ps，可精准捕捉束团的纵向分布特性。

（五）逐束团反馈子系统

采用纽扣电极拾取束流信号，定制化自研反馈控制器实现逐束团横向及纵向振荡振幅的精确提取及反馈控制量计算，宽带放大器实现反馈信号的功率放大，striplineKicker作为横向反馈执行器，cavitykicker作为纵向反馈执行器，构建完整的反馈链路，精准应对束流的横向和纵向不稳定性。定制的逐束团反馈处理器需满足以下核心指标：反馈带宽不低于250 MHz，确保反馈的快速响应；横向阻尼时间不超过0.1 ms，纵向阻尼时间小于1 ms，有效抑制束流不稳定性，保障束流的稳定运行。

（六）快速轨道反馈子系统

在全环闭轨测量所用的240个BPM中，选取直线节两端的80个高稳定度ID BPM探头专用于快速轨道反馈，保障轨道的实时稳定。采用10台基于FPGA和SFP通讯接口的定制化自研反馈控制器作为核心节点构造分布式快轨道反馈系统，每个反馈控制器以星型拓朴结构连接两个标准单元的8台BPM信号处理器及16台（水平/垂直各8台）快矫正电源，反馈控制器之间以冗余双环拓扑结构构成全环数据交换专用网络，所有轨道矫正量在反馈控制器中独立完成计算，整个系统的总延时小于160us，反馈数据刷新率20 kHz，以确保有效反馈带宽不低于500 Hz。

（七）束流损失监测子系统

部署8套光纤探头，实现对束流损失的快速检测。光纤探头具备响应速度快、抗干扰能力强等优势，能够及时捕捉束流损失信号，为束流损失的预警和排查提供有力支持，保障储存环的安全运行。

6. 机械支撑系统

储存环机械支撑是为磁铁、真空、束测等设备提供共架安装平台，并完成设备位置精密调节。储存环磁铁支撑单元是储存环磁铁集成安装必需的基础设备，各种类型的磁铁等设备，通过磁铁支撑单元安装在储存环隧道中，采用两级调节机构，各块磁铁被精确调整定位到物理设计要求的位置。

磁铁支撑单元如图12所示。该磁铁支撑单元的所有部件均为自主设计，国内制造加工。其调节分辨率与振动性能与国际同类产品相当，满足HALF储存环的整体技术要求。

图12 高精度、高稳定性磁铁支撑单元

7. 真空系统

储存环真空系统为电子束提供超高真空环境，保障电子束在储存环内长期、高品质、稳定运行，是支撑HALF达成既定科学目标的核心配套设施与基础保障之一。HALF储存环周长约480米，其真空系统共划分为20个真空单元，主要由锆铜真空腔体、不锈钢真空腔体、屏蔽波纹管、光子吸收器、真空阀门、真空计及各类真空泵等部件组成。

目前该系统已攻克多项关键技术难题。研发团队突破了高性能材料制备小口径、异形复杂截面真空腔体的制造技术瓶颈，掌握了高精度焊接、成型与精密加工工艺。团队还攻克了小口径真空腔体内壁附着非蒸散型吸气剂（NEG）镀膜关键技术，实现在强同步辐射照射的狭小腔体内，稳定维持超高真空度。图 13、图14 分别展示了圆形截面真空腔体与带前室结构真空腔体的镀膜工艺。

图 13 圆形截面真空腔体镀膜工艺

图 14 带前室结构真空腔体镀膜工艺

如图 15 所示，HALF真空系统全球首次采用锆铜合金作为加速器真空腔体结构材料。此外，团队专为HALF真空管路，研发了条带式非蒸散型吸气剂（NEG）组件，如图16所示，具备抽速高、气体吸附容量大、激活温度低等优势。

图15  锆铜真空室

图16  条带式吸气泵

8. 插入件系统

插入件作为HALF的光源点，直接决定了各个线站的光源性能。插入件系统共13台插入件，主要参数如表3所示，包括6台椭圆偏振波荡器（EPU）、2台真空内波荡器(IVU)、2台真空外平面波荡器（LPU）、1台纯圆偏振波荡器(HU)及2台扭摆器（Wiggler），可覆盖5 eV到30 keV的光子能量范围，在真空紫外-软X射线波段的偏振特性与空间相干性方面具有突出优势。

表3 HALF插入件主要参数

纯圆偏振波荡器 (HU115)

椭圆偏振波荡器 (EPU42)

阻尼扭摆器 (Wiggler100)

真空内波荡器 (IVU21a)

纯永磁型平面波荡器 (LPU38a)

混合型平面波荡器 (LPU38b)