西班牙ALBA同步辐射光源：装置解析与未来科技蓝图

说明：本次主要介绍西班牙同步辐射光源ALBA，包括ALBA光源的装置，以及ALBA未来的发展。

一、简介

ALBA 同步加速器由同步加速器光学实验室（CELLS）建设、设备和开发联盟（Consortium for the Construction，Equipment and Exploitation of a Synchronotron Light Laboratory, 简称 CELLS）管理，自2012年起面向外部用户运营。它是西班牙基础设施科学技术奇点图（ICTS）的成员， 也是西班牙和加泰罗尼亚政府参与的非营利性公共实体。作为国家同步辐射光源，ALBA 的优先重点是满足西班牙现有学术界、工业界和企业界用户的需求，以及开发潜在的新用户群体，使其从该设施中获益匪浅，并为社会创造新的机遇。ALBA 还在促进不同群体之间建立联系方面发挥了作用，并最终与这些群体共同开发了系统解决方案。

二、装置

同步辐射光源是一种覆盖从红外到硬X射线（包括可见光）的宽波段电磁辐射。其主要特点是高亮度，比太阳表面亮数百万倍。这种高亮度能够产生高分辨率的实验结果，同时显著缩短实验时间，特别适用于研究化学反应等快速现象。同步辐射光源的应用范围广泛，实验过程中可以灵活调整多种参数，例如波长、光的偏振、温度、压力等，从而满足不同的研究需求。

ALBA光源由一个直线加速器、一个增强器和一个存储环3大部分和其它配置设施组成。

直线加速器

直线加速器（LINAC）用于产生90 keV的电子脉冲，并将其加速至100 MeV。随后，电子束被传输并注入到增强器（Booster synchrotron）中，继续加速过程。

一个90 kV的直流热电子枪产生长度为2 ns的电子束团。这些电子是从加热至1200℃的金属（掺杂了氧化钡的钨）中提取的。可以产生单个束团（SBM）或多束团序列（MBM），如下图所示。典型的注入模式由32个束团组成的序列构成，每秒产生3次。在直线加速器（LINAC）末端，每个束团的最大电荷量为0.25 nC。

来自沿直线加速器安装的快速电流变换器的信号，用于两种注入模式：MBM（54 束团）和SBM（16束单独束团，间隔64 ns）。

电子经过一个束团形成区域，该区域会缩短束团长度并增加其能量。束团系统包括两个预聚束器，一个工作在次谐波频率（500 MHz），另一个工作在3 GHz，以及一个22单元的驻波束团器。经过束团系统后，电子束的能量达到16 MeV。两个行波加速结构将电子束能量进一步提升至超过100 MeV。每个加速结构由96个单元组成，工作在2Π/3模式，且保持10-15 MV/m的恒定梯度。电子束的聚焦通过在束团部分使用屏蔽螺线管以及在两个加速结构之间使用四极磁铁三元组来实现。

两个速调管（型号TH2100）通过射频波导将射频功率传输到直线加速器（LINAC）的腔体中，工作频率为3 GHz。得益于一个切换系统，如果其中一个速调管发生故障，直线加速器仍可以提供一个能量为67 MeV的减幅束流。

增强器

ALBA增强器是一个同步加速器，用于将直线加速器（LINAC）提供的电子束从100 MeV加速到3 GeV。在能量提升过程中，磁场会根据电子的能量进行相应调整。当电子束能量达到3 GeV时，电子束被提取并送入储存环，随后磁场恢复到初始值。这一过程每秒重复3次。

增强器位于与储存环相同的隧道内，其周长为249.6米，拥有40个弯曲磁铁，并基于带有集成梯度的弯曲磁铁构建磁格构。这种设计使得其平衡发射度（emittance）低至10 nm·rad。如此小的发射度和电子束尺寸，为所谓的“补注操作”（top-up operation）提供了高效的注入方式。在这种模式下，电子束每5-10分钟注入一次储存环，无需中断实验数据采集，同时保持循环电子束的强度恒定。

储存环

ALBA存储环（SR）的磁设计基于改进的Chasman-Green（双弯曲）晶格。其基本单元格（重复结构）由两个弯曲磁铁以及伴随的四极磁铁组成，这些磁铁在单元格之间的直线段中产生非零色散。尽管色散会对辐射的表观束斑尺寸产生影响，但ALBA的晶格设计在最小化色散的同时，最大化了直线段的可用空间。

ALBA的直线段分为长直线段（LSS）、中直线段（MSS）和短直线段（SSS）。单元格中的MSS具有较小的β值，非常适合安装插入件，但长度不足以容纳注入直线段。因此，使用了修改后的单元格——匹配单元格，以容纳LSS。

三、ALBA的未来

ALBA未来将通过升级到第四代光源ALBA Ⅱ来保持其在未来研究基础设施领域的相关性，该光源计划在2031年底全面投入使用。设计、建造和部分安装将在未来几年内进行，而ALBA将继续运营。这将使ALBA能够接待因翻新而关闭的同步加速器的用户，这证明了欧洲在LEAPS内合作和协调的重要性。在2030年和2031年，将专门用于新光源的安装和调试。2023年春季，设计研究和原型设计的初始资金已经获得批准，以及用于扩大基础设施的额外地块，而完整预算的多年计划正在与资助机构进行谈判。

新的相邻地块允许建造多达三条长的实验线，他们的实验站也可以成为ASTIP的种子，ASTIP是一个提议的材料科学，生命科学和创新的高级中心，与其他机构合作，其可行性正在与几个合作伙伴讨论。

ALBA Ⅱ项目包括四个主要内容：

• 结构的改造和相应基础设施的改造；
• 长BLs的建设。设计、建造和安装在运行ALBA的同时进行，调试推迟到新的可用源；
• 运营BLs的改造，包括数据存储和分析系统。所有14个现有的BLs，包括那些在建的，都将进行大修，部分原因是它们已经运行了十多年，并且需要适应新的更明亮的光子束；
• 开发自动化、仿真、原型、纳米技术和先进光学的进一步能力。

目前仍有少量光端口可供使用，这为与其他机构开展联合项目、建立合作关系提供了机遇。西班牙和欧洲研究仪器工业凭借对该项目的重大贡献，获得了产品开发与人员培训的契机，加速器和X射线技术领域的竞争力显著提升，成功跻身全球增长市场，满足全球同步加速器升级项目带来的需求。

ALBA Ⅱ从建筑、服务到招标要求等多层面融入环境可持续性理念，采用现代资源和能源消耗方案，提高效率、减少环境影响。其对现有基础设施的有效升级，使新投资利润较过去有所增长，对当地和西班牙的环境社会经济产生了积极影响。未来，ALBA Ⅱ将继续以创新与可持续发展为引领，创造更多价值。