直线加速器：HEPS的“火箭一级发动机”

HEPS是我国在建的首台第四代同步辐射光源，建成后将是世界上亮度最高的同步辐射光源之一。它可以为我国科学家照亮微观世界，帮助他们更好的探索其中的奥秘。

HEPS的工作原理可以概括为“加速电子，生产光”。

电子枪产生的高品质电子束，经过直线加速器加速到0.5GeV，然后进入增强器，在增强器进一步被加速到6GeV。最后，达到6GeV的电子束团从增强器里引出，注入到专门为电子发光准备的储存环中，以接近光速的速度保持回旋运动。在储存环上的不同位置，电子束通过弯转磁铁或者各种插入件时，会沿着偏转轨道切线方向释放出稳定而且高能量、高亮度的光——同步辐射光。在后续调制后，就可以给用户实验提供高品质的同步辐射光了。

HEPS主要由加速器、光束线和实验站构成，其中，加速器由直线加速器、增强器和储存环三台加速器组成，它们就像火箭的三级发动机，而直线加速器就是它的第一级发动机。

直线加速器是HEPS电子束的源头同时也是它的第一级加速结构，由端头的电子枪、聚束单元、加速结构、微波功率源等设备构成。

在这里，电子枪产生的电子束经过压缩、加速和聚焦，最终达到500MeV的设计能量后经过输运线进入增强器再加速。

直线加速器的基本原理并不复杂: 只要给粒子提供一个加速电场，粒子便可沿直线运动。如果采用合适的交变电场，就可以做到让粒子持续加速了。但是交变电场有正有负，如何保证粒子的速度只增不减呢？科学家们巧妙地使用了一种在均匀波导中引入周期性负载的行波加速结构，让管道内的谐波相速度和带电粒子速度趋于一致，这样带电粒子就可以在直线段中保持加速、勇往直前了！

“驯马师”的日常

从束流在直线加速器的电子枪中产生，到最后在储存环里循环产生高质量的同步辐射光，不尽力控制好束流在每一步的品质表现，就很难获得极小发射度的电子束，更不用说我们最终需要的高品质光束了。这就是“调束”工作的意义。

为什么说调束工作像“驯马”？那是因为，没有调试好的机器真的像一匹野马。

你可以将粒子加速的过程想象成用手捧着一团沙子飞速奔跑，速度越来越快，沙子越容易散掉。在加速器部件实际的生产和安装过程中存在着微小的误差，它们就像我们手捧沙子飞奔的路上存在的坑洼，也许是一块磁铁的偏置、也许是电压的振荡，这些误差都有可能导致电子束变形甚至丢失。

图片来源：veer图库

这就需要直线加速器各结构及众多元件部件齐心协力，才能为下一级加速器提供高品质的束流，而这正是目前调束工作的重点：通过调节直线加速器中各个元件的参数，最终使束流各项指标达到设计值。

由于误差的存在，机器直接使用设计参数时很难拥有理想的性能，这时的直线加速器就像一只还没有被驯服的“野马”，很难得到我们想要的结果。而调束人员就扮演起了“驯马师”的角色，他们依靠丰富的经验，根据束流的实际表现，做出准确的物理判断，通过调节各个元件的参数，使电子束团按照既定的方向和速度“奋力奔跑”，使机器的性能一步步达到设计指标。

在束流的调试中，调束人员需要特别专注地观察束流（哪怕微小）的反馈。3月9日，在第一天的调束过程中，控制室人头攒动，调束骨干人员孟才一边要操作束流一边还要和现场硬件人员沟通，分心二用一时无法找到正确模式。但在中午大家都去吃饭的时间，他主动请缨驻守控制室，调整心态，仔细观察，回想自己设计直线加速器时的种种细节，迅速做出正确的判断，根据束流轨道的偏差判断是剩磁补偿线圈没有加到位，加速腔的延时与加速相位也有偏差，进行调整之后，顺利实现束流全线贯通，取得开门红。

调束现场（中间位置为孟才）

此外，基于自主开发的全新上层调束平台Pyapas，采用面向物理参数的控制策略，使得调束人员可以将注意力直接放在磁场梯度等直接与束流质量相关的物理参数上，使调束过程事半功倍。