同步辐射装置主信号源的扩展方法研究

主信号源是同步辐射装置的关键组成部分之一,它不仅用于产生同步辐射光源各子系统所需的稳定度极高的参考信号,还用于生成整个装置的控制系统所需的高精度工作时钟。一般使用射频信号源作为主信号源,而商业射频信号源一般只配备单输出通道,远远不能满足同步辐射装置的需要,使用传统功分器对主信号通道进行扩展又存在幅度衰减、精度下降且相位不一致的问题。为解决上述问题,利用射频芯片AD9361,研究了对主信号源的单路输出进行扩展的方法。该方法可根据用户需求完成相应数量的信号通道扩展,设计了AD9361芯片和FPGA主控模块相结合的硬件架构。搭建实验平台,开展了射频信号源在C波段扩展的实验研究,对所提出的扩展方法进行实验验证。实验结果表明,该方法能保证扩展信号的幅度、频率与相位与主信号保持高度一致。

第四代同步辐射光源加速器物理与技术

同步辐射光源是20世纪应用最广泛的高性能X射线源,已成为物理、化学、能源环境、生物医学、先进材料等领域前沿研究的重要工具。进入21世纪,基于电子储存环的同步辐射光源的发展前沿是第四代同步辐射光源(4GLS)。其采用紧凑型的多弯铁消色散结构,可以实现接近甚至达到X射线衍射极限的超低束流发射度,将光源亮度在第三代光源基础上进一步提升2—3个数量级。文章将重点介绍第四代同步辐射光源关键的加速器物理与技术,以及国际范围内第四代同步辐射光源装置的发展情况。

第四代同步辐射光源的光束线站及其应用

随着第四代同步辐射光源的兴起,得益于X射线亮度和相干性的大幅度提升,同步辐射实验技术在谱学、散射和成像等方面取得了显著进步。这些技术能够探测复杂非均匀体系和动态变化过程中的物质结构、成分、化学价态、电子态和磁性等关键信息,在基础科学领域和应用基础研究中发挥关键作用。文章旨在介绍第四代同步辐射光源的线站技术优势,并结合具体例子探讨其在若干物理研究中的应用,同时也讨论了当前存在的工程技术挑战。希望人们能够了解第四代同步辐射光源的光束线站的特点和应用潜力,以促进其在各个科研领域的推广。

辐照聚丙烯腈纤维微观结构演变的同步辐射散射研究

预氧化是碳纤维制备过程中的关键步骤之一,在此过程中所产生的缺陷大部分将遗传至碳纤维中,所以聚丙烯腈(PAN)预氧化纤维的结构优化对提升碳纤维力学性能尤为重要。辐照是一种优化PAN预氧化纤维结构、有效改善PAN基碳纤维力学性能的改性方法。为探究高剂量电子束辐照PAN纤维在预氧化过程中微观结构的演变,本研究采用了同步辐射原位小角散射(SAXS)、广角散射(WAXS)对高剂量辐照及未辐照PAN纤维热处理过程进行表征,并结合差示扫描量热法(DSC)、热重分析法(TGA)和傅里变换叶红外光谱(FTIR)对PAN预氧化纤维进行表征分析。结果表明:高剂量(500 kGy)辐照促进了PAN纤维在热处理过程中的交联、环化反应,有效缓解了环化反应所引起的剧烈放热,降低了初始环化温度。同时,高剂量辐照对PAN纤维分子结构的破坏作用更加显著,高剂量辐照PAN纤维在热处理后的微孔横向尺寸(D)与取向角(B_(eq))分别降低至7.61 nm和8.58°,晶体层间距d_(002)减小至0.352 nm。综合来说,高剂量辐照使得PAN纤维微观结构在热处理后得到了改善,这有利于改善相应碳纤维的结构和性能。

基于同步辐射X射线荧光光谱与机器学习的非靶标金属组学预测PVC纳米塑料对水稻毒性的浓度依赖性

环境中的微/纳米塑料污染引起了人们极大关注。土壤中的微/纳米塑料不可避免对植物产生影响,因此预测微/纳米塑料的植物毒性可为土壤中微/纳米塑料治理提供抓手。以水稻为研究对象,发展了基于同步辐射X射线荧光(SRXRF)光谱与机器学习的非靶标金属组学方法,以预测聚氯乙烯纳米塑料(nPVC)对水稻的毒性。首先将水稻暴露于不同浓度(500 ng/g与500μg/g)nPVC中,培养35 d后,收集水稻叶;其次,利用SRXRF研究暴露nPVC后水稻叶中金属组的变化;然后,利用机器学习方法区分暴露不同浓度nPVC水稻样品。对SRXRF光谱进行主成分分析(PCA)非监督聚类,发现500μg/g组能够良好聚类,而500 ng/g组与对照组无明显差异,表明500 ng/g的nPVC暴露对植物的毒性远低于500μg/g nPVC。对SRXRF全光谱,利用线性模型k近邻算法(kNN)和非线性模型支持向量机(SVM)建立预测模型,区分不同组别的准确率可达94.12%。为了提升运算速度,减少模型计算量,使用竞争性自适应加权重采样算法(CARS)挑选特征光谱建立预测模型,区分不同组别的准确率为89.51%。相对全光谱模型,特征光谱预测模型虽然预测准确率下降了4.61%,但模型输入参数减少了99.38%,因此同样具有良好潜力。研究表明,基于SRXRF和机器学习的非靶标金属组学可准确预测不同浓度nPVC对水稻金属组的干扰程度,从而反映nPVC对水稻毒性的浓度依赖性。方法同样可用于预测其他微/纳米塑料毒性的浓度依赖性。

同步辐射光源实验中虚拟计算系统的设计和应用

【目的】高能同步辐射光源(HEPS)会产生海量实验数据,需要大量的高性能计算资源来处理和分析,进而支持多样化的科学研究。同时,计算环境需要提供安全的数据存储和访问控制机制,以确保数据的安全性和隐私保护。当前工作站的计算能力成为限制实验分析的瓶颈,庞大的数据量使用户难以创建本地数据副本。用户使用本地工作站进行数据下载和分析的传统方式已无法满足日益增长的实验需求,需要强大的云计算平台和计算系统支持。【方法】本文提出了基于虚拟化技术的HEPS云桌面计算系统,用于HEPS中的三维数据成像和晶体散射类等实验,其特点是对图像显示效果要求高,需要高性能的GPU计算和图像渲染。因此,利用计算集群的资源来提供虚拟云桌面服务,统一纳管计算资源并提高资源利用率非常重要。【应用背景】本文介绍了HEPS的基本情况、实验特点和虚拟云桌面系统的研究动机。【结果】本文设计了虚拟云桌面的体系结构、服务模式、认证系统、GPU的使用方法等。【结论】展示了虚拟云桌面系统在光源实验中的实际应用效果,体现了虚拟云桌面的优越性和在同步辐射光源领域的良好应用前景。

高能同步辐射光源科学数据传输系统设计和实现

【目的】高能同步辐射光源HEPS(High Energy Photon Source)是我国第一台高能量同步辐射光源,预计2025年建成。HEPS建成后,首批投入使用的15条光束线站预计每天会产生200TB实验数据。为满足不同阶段对实验数据的读写需求,会对海量实验数据进行分级存储和长期备份。如何将这些数据在不同存储介质之间稳定和高效地传输是HEPS实验中需要解决的重要问题。【方法】HEPS科学数据传输系统设计了多源DAQ接口、任务调度、消息队列、集群传输、日志监控、配置管理和消息通知等功能模块。【结论】系统实现了海量数据在不同存储介质间的高效、可靠传输。【结果】系统现部署在北京同步辐射多个线站,用作HEPS数据传输的前期验证,运行稳定、效果良好,为科研人员和用户提供了良好的数据传输服务。

溶液法原位大面积制备钙钛矿光电薄膜成膜的同步辐射可视化结晶过程研究

溶液法是新型光电器件制备的重要手段,然而以钙钛矿半导体材料为代表的薄膜样品制备通常需要在手套箱环境下完成,传统的实验表征大多在空气环境下进行,这显然很难反映薄膜结构与器件性能间的真实关联,因此急需对溶液成膜过程的微结构演变开展原位实时研究.为了实现溶液法成膜中的结构与形貌的同步辐射掠入射广角散射实时观测,本文结合上海同步辐射光源线站布局,报道了一种基于手套箱的原位成膜观测装置,可实现标准手套箱环境(c(H_(2)O,O_(2))<1×10^(-6))下远程控制薄膜旋涂、涂布及样品后处理,并实时可视化监测微结构和形貌演变.基于该装置进行的钙钛矿薄膜狭缝涂布大面积成膜结晶过程的原位GIWAXS/GISAXS(gtrazing incidence wide and small angle X-ray scattering)可视化测试揭示了薄膜微结构转变的内在驱动力:钙钛矿薄膜沉积界面层的优化对提升钙钛矿成核速率、诱导结晶择优取向、形成晶粒有序堆叠等具有“共性作用”,同时在成膜过程中的新生中间相显著提升软晶格薄膜质量和稳定性.基于各层均采用卷对卷全溶液狭缝涂布方法制备的大面积全柔性三维钙钛矿薄膜太阳能电池转换效率提升至5.23%(单个器件面积约15 cm^(2)),为迄今报道的这一体系该尺寸的全溶液狭缝涂布柔性钙钛矿器件的最高器件效率之一.因而,基于该同步辐射原位GIWAXS/S/GISAXS装置可以获得控制薄膜生长界面特性和薄膜品质的关键工艺,指导优化制备薄膜的最佳工艺条件.

同步辐射光源新增线站相关加速器安装与调试

以上海光源新增的双插入件04IVU波荡器和04Wigger扭摆器为例,介绍了已运行的同步辐射光源新增束线工程中加速器方面需要着重处理的工作。首先,介绍插入件的设计参数及磁测结果,并使用SPECTRA程序计算了其光谱亮度;详细梳理了插入件的安装过程遇到的真空盒工艺误差、安装任务冲突和项目安装超期等问题及其解决方案;阐述了插入件调试工作的物理机制,以及如何应用前馈补偿的方法抑制了插入件调试过程中束流轨道影响,双插入件IVU和Wiggler的最高亮度分别为3 keV时的5.86×10^(19)Photon·s^(−1)·mm^(−2)·mrad^(−2)·(0.1%B.W.)^(−1)和2.75×10^(15)Photon·s^(−1)·(0.1%B.W.)^(−1),校正后IVU和Wiggler最大轨道扰动均小于2μm。对前端区真空清洗工作的意义、方法和结果进行了分析,并系统性地介绍了主被动模式相结合的新方法,该方法实现了高效的真空清洗。归纳了试运行过程中遇到的联锁逻辑错误、前端区真空异常、安全光闸硬联锁等问题,并总结了应对措施,为双插入件更好投入运行提供帮助。通过这些工作的进行,该双插入件已完成安装并基本调试完毕,对其他光源新增线站相关加速器安装与调试具有一定的参考价值。

基于同步辐射与第一性原理计算的Al/Cu钎焊界面组织与接头性能研究

界面脆性化合物对Al/Cu钎焊接头力学性能影响显著,明晰界面化合物的形成、生长行为与块体性质对调控界面组织与接头性能至关重要。本文借助同步辐射X射线成像技术对加热与冷却过程中Al/Cu钎焊界面组织演变进行动态表征,利用第一性原理计算对界面化合物的块体性质进行计算,研究了界面化合物的形成次序、模量与键合特征。结果表明,界面Al_(2)Cu与Al_(4)Cu_(9)化合物在冷却过程中形成,小平面枝晶状Al_(2)Cu化合物为初生相,从原始界面处凝固析出,且二次枝晶臂呈非对称性;与母材接触后发生扩散反应形成层状Al_(4)Cu_(9)化合物。界面化合物具有金属键与共价键的混合键合特征,Al_(4)Cu_(9)化合物具有较高的结合能、体积弹性模量、剪切模量、杨氏模量与硬度,可提高Al/Cu钎焊接头硬度,降低塑韧性。

同步辐射光源束流控制系统的设计

阐述针对束流监测系统需要对束线位置进行精确测量和控制,设计一种通用数字信号处理系统。通过采用Xilinx的ZYNQ-7045芯片,使数字电路兼具FPGA并行处理能力和ARM灵活计算能力。

同步辐射X射线衍射技术在残余应力分析中的应用

残余应力贯穿于材料及构件的设计、生产、加工、制造、服役和失效的全生命周期,是影响材料及构件加工精度、尺寸稳定性及疲劳强度的关键因素,如何准确无损表征残余应力具有重要意义。与传统实验室X射线衍射方法相比,同步辐射X射线衍射技术在亮度、准直、时间分辨率、空间分辨率、穿透深度等方面具有显著优势,是一种无损原位精确表征工程材料和关键构件残余应力有效的方法之一。本文围绕同步辐射X射线衍射技术在材料残余应力中的研究进展,重点阐述增材制造过程中高温合金的残余应力分析、激光喷丸技术对钛合金残余应力的影响、焊接铝合金残余应力评价、热处理参数对结构钢残余应力的影响以及陶瓷涂层的残余应力研究。最后,分析同步辐射X射线衍射技术在工业应用方面的不足,并展望未来的研究及发展方向,包括发展原位测试环境及装置、同步辐射X射线衍射技术与其他无损检测方法相结合等。

基于同步辐射光源X射线散射对聚乙醇酸挤出棒材退火条件的优化

文中用同步辐射光源对聚乙醇酸(PGA)挤出棒材的切片进行广角X射线散射(WAXS)和小角X射线散射(SAXS)表征,研究聚乙醇酸棒材在挤出成型后优选的退火条件,以尽可能消除内应力,改善棒材后续的机械加工性。WAXS结果表明,高温更有利于微观应变的减小,但较高温时晶粒尺寸会随退火时间的延长而减小。SAXS结果表明,高温更有利于取向程度的减小,退火时间对取向程度的影响明显弱于退火温度。综合各数据建立目标函数,并利用响应面分析法进行分析。结果表明,在实验范围内,PGA棒材的优选退火条件为200℃退火2h。

同步辐射3Dμ-CT用于棉纱成像研究

纱线内部纤维的分布以及转移规律是纱线研究的热点。同步辐射三维显微CT成像技术(μ-XCT)具有穿透性强、分辨率高等优势,可以清晰地展示被检测物体的内部结构状况。本文基于同步辐射三维显微CT成像技术对一种棉纱(转杯纺棉纱)进行扫描,然后采用Avizo中AI辅助分割模块进行三维构建和可视化表征。结果表明:借助同步辐射CT成像技术实现亚微米分辨率棉纱的三维显微成像表征,可以获取纱的结构特征以及纤维在纱中纤维转移特征。这促进了人们对纱线结构和性能的全面深入理解,为优化棉纱生产、提高棉纱质量和性能提供了宝贵的信息。

同步辐射在原子分子物理研究中的应用

同步辐射是电子以接近光速做圆周运动或蛇行运动时,沿着运动轨道的切线方向发出的电磁辐射,或称为光。这种辐射覆盖了从红外线到硬X射线的宽幅波段,并且具有亮度高、相干性好等优点。特别是在软X射线和硬X射线波段,同步辐射光源是唯一兼具高亮度和波长可调谐的光源,为研究原子分子与光子的相互作用过程提供了高度精细的实验利器,并由此打开解析微观世界新的大门。文章从同步辐射的产生过程剖析其关键要素,并综述了同步辐射在原子分子物理研究中的最新进展。

扁平样品体系的同步辐射层析成像检测技术

利用同步辐射X射线高穿透性、高亮度等特点,结合三维重建方法,可以实现样品的三维无损成像,该技术在生物、材料、化学等领域发挥着重要作用。针对扁平样品体系,计算机断层成像(computed tomography,CT)这种常规的三维成像方法,由于其高角度信息缺失,无法实现兼顾尺寸与分辨率的无损高精度成像。近年来再次发展起来的计算机层析成像(computed laminography,CL)可以满足对扁平样品的高精度三维成像的需求。然而,当前的三维重建方法需要足够多的投影数目才能实现高质量重建。文章在已有的三维重建算法的基础上,发展了一种针对CL的傅里叶迭代重建算法(laminography Fourier iterative algorithm,LFIA),在投影角度有限的情况下,利用投影之间的相关信息恢复缺失信息,从而实现更高的重建分辨率,并通过模拟与实验验证算法的可行性。

高能同步辐射光源(HEPS)

作为中国国家重大科技基础设施项目,HEPS如同一个超大号的X光机,能通过三级加速器将电子加速至接近光速,同时产生同步辐射光,利用同步辐射光穿透性强、高亮度、高强度和宽能谱等特点,可以“看清”微观世界,揭示物质微观结构生成及演化机制。大科学装置HEPS于2019年6月启动建设。2023年2月1日,HEPS储存环隧道设备安装正式启动。2024年3月14日,HEPS取得又一项重要里程碑进展——其直线加速器满能量出束,成功加速第一束电子束,标志着HEPS建设进入科研设备安装、调束并行阶段。其建成后,将成为我国首台高能同步辐射光源,也是世界上亮度最高的第四代同步辐射光源之一,可以发射比太阳亮1万亿倍的光,有助于更深层次地解析物质微观结构和演化机制,为提升我国国家发展战略与前沿基础科学技术领域的原始创新能力提供高科技研究平台。

高能同步辐射光源直线加速器初期调束取得重要进展

高能同步辐射光源(HEPS)是中国第一台第四代高能同步辐射光源,其加速器由直线加速器、增强器、储存环及输运线组成。报道了HEPS直线加速器的初期束流调试重要进展。HEPS直线加速器是一台500 MeVS波段常温直线加速器,由热阴极电子枪、聚束系统、主直线加速器构成。在按时完成设备加工、安装和老练的基础上,于2023年3月9日启动束流调试,当天实现束流全线贯通。3月14日束流能量达到500 MeV,束团电荷量达到2.5 nC。经过测量,直线加速器出口束流能散0.4%,能量稳定度0.06%,水平和垂直几何发射度分别为233 nm和145 nm。目前直线加速器束团电荷量可达到7.0 nC,相关束流调试正在进行。

同步辐射成像比较两种不同骨修复材料修复兔股骨缺损的效果

背景:Bio-oss骨粉、奥邦骨修复材料均为常用的骨修复材料,但其对兔股骨缺损后修复效果的系统性评价鲜有报道。目的:利用同步辐射显微断层成像技术和组织病理学染色相结合,系统评价Bio-oss骨粉和奥邦骨修复材料修复骨缺损的效果。方法:采用随机数表法将32只大白兔随机分为对照组(n=12)与实验组(n=20),均于一侧股骨体部外侧面建立2个大小为4 mm(洞空直径)×6 mm(洞孔深度)的洞穿型骨膜骨质缺损,对照组填充生理盐水,实验组其中一个骨缺损部位植入Bio-oss骨粉,另一骨缺损部位植入奥邦骨修复材料。术后8周,通过大体观察、影像学、组织病理学检测评价2种材料修复材料的修复效果。结果与结论:①大体观:术后8周,实验组骨损伤修复区伤口愈合良好,未见感染、化脓等症状,动物行动能力显著优于对照组;②影像学检查:术后8周同步辐射显微断层成像,Bio-oss骨粉植入后骨粉周围存在大量的新生骨组织,骨缺损空腔较大,未被新生骨组织完全填充;奥邦修复材料植入后可见骨缺损腔内围绕修复材料形成了大量的新生骨组织;三维重建显示,两种骨填充材料都能与局部骨创面组织接触,促进周围成骨分化成新生骨组织和血管形成,达到骨修复效果,其中奥邦骨修复材料周围新生骨与周围骨组织连接更紧密。256 iCT扫描显示,奥邦骨修复材料侧术后8周CT值高于Bio-oss骨粉侧(P<0.05);③组织病理学:术后8周苏木精-伊红染色显示,Bio-oss骨粉侧骨粉周围可见新生骨组织,奥邦骨修复材料侧材料周围可见由骨基质形成的骨组织,新生骨组织完整、连贯,已有部分新生骨侵入到奥邦骨粉材料内部;④结果表明,奥邦骨修复材料能促进新生骨的生成和损伤修复;同步辐射显微断层成像技术与传统的苏木精-伊红染色相呼应,是评价骨粉修复成效的良好方法。

高能同步辐射光源土体动力学参数反演方法

考虑到土体动力学参数是高能同步辐射光源等大科学装置环境微振动控制中场地振动响应评估的一个重要条件,基于常时微动测试提出土体动力学参数反演的方法,并在高能同步辐射光源现场开展了常时微动测试方法、单频激振器稳态激励法和锤击瞬态激励法原位试验和对比验证.试验结果表明,常时微动测试方法反演得到的土体动力学参数与其他2种方法的结果相差不大于15%,反演计算得到的土体相速度与实测相速度相差不超过5%.常时微动测试土体振动响应以Rayleigh波为主,具有测试设备便捷、测点振动响应相干性要求不高、不需要考虑测点与振源距离等优点.常时微动测试可为大科学装置场地土体动力学参数反演提供更简便可靠的分析方法.