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。

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。

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。

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。

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。

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

基于多弯铁消色散结构的超低发射度储存环光源是新一代同步辐射光源发展的一个重要方向。作为国内第一台第四代同步辐射光源,高能同步辐射光源已经完成物理及工程设计,并于2019年启动建设。高能同步辐射光源电子能量6 GeV,流强200 mA,水平自然发射度低于60 pm∙rad,可提供能量达300 keV的X射线,在典型硬X射线波段的同步辐射亮度达1×10^(22)phs·s^(−1)·mm^(−2)·mrad^(−2)·(0.1%bw)^(−1),可为材料科学、化学工程、能源环境、生物医学、航空航天、能源环境等众多基础和工程科学研究领域提供先进的实验平台。本文将介绍高能同步辐射光源项目的整体方案及物理设计。

一种紧凑型激光同步辐射光源的初步设计及应用前景

激光与相对论电子束的康普顿散射可产生高亮度、超短脉冲、辐射波长可调、峰值亮度高的准单色、极化X射线。这是一种新型的激光同步辐射光源,以其造价低、小型紧凑等特点受到人们的重视,成为当前研究的热点。介绍了激光同步辐射光源的性质和特点,对利用北京大学超导加速器装置的电子束产生激光同步辐射进行了初步计算和设计,该波段X射线显示出了诱人的应用前景。

高能同步辐射光源储存环快校正磁铁电源设计

高能同步辐射光源(HEPS)具有0.1 nm·rad的超低发射度,对束流稳定度提出了较高要求,研制1台高性能快校正磁铁电源用来提高快速轨道反馈系统(FOFB)的性能以提升束流稳定度。电源样机采用新颖的多电平级联拓扑结构提升电源样机的动态性能,使用基于数字控制的新颖控制方法实现样机的动态性能提升。软件仿真与样机试验数据证明,电源样机具有10 kHz小信号带宽、电源阶跃响应时间小于70μs、输出电流纹波低于20 ppm,电源样机可很好地满足HEPS建设需求。

同步辐射光源四维原位成像助力材料微结构损伤高分辨表征

具备高时空分辨率的同步辐射光源是标志着现代基础科学核心创新能力的一种大科学装置。介绍了基于高能X射线三维成像的原位加载装置的国内外研究进展,简要论述了作者团队自2011年以来基于上海同步辐射光源和北京同步辐射装置自主研制的系列原位加载装置,包括原位拉伸、压缩、低周疲劳、高周疲劳、超高周疲劳试验机及其样品环境,以及针对轻质高强材料(激光焊接铝合金和激光增材制造铝、钛合金等)缺陷安全性评定开展的研究工作。结果表明,原位加载装置是表征先进材料微结构损伤演化的核心,也是关系国家竞争力的大科学装置的重要支撑。

基于同步辐射光源的DEI技术在豚鼠耳蜗成像中的应用

基于同步辐射光源和单色晶体-分析晶体系统的硬X射线衍射增强成像(diffraction en- hanced imaging,DEI)是一种对X射线相位信息进行成像的有效方法．利用分析晶体微弧度量级的角敏感性,DEI可以对X射线穿透样品时产生的透射光、折射光和散射光分别进行成像,大大提高了硬X射线成像的像衬度和空间分辨率．在北京同步辐射装置(Beijing synchrotron radiation fa- cilities,BSRF)形貌学实验站,文中应用DEI方法对豚鼠耳蜗进行成像,获得了一系列的DEI图像；并在此基础上计算得到了表观吸收像和表观折射像．DEI图像清晰显示了耳蜗的整体结构和内部细节,甚至包括细胞水平的结构,如内外毛细胞的静纤毛和Hansen细胞边缘等．DEI图像具有高衬度、高分辨率和明显的边缘增强等特点,在生物、医学研究和临床应用中有广阔的前景．

国家目标引导下的大科学装置建设——以上海同步辐射光源为例

大科学装置是科学技术发展的重要平台,其建设主要在政策和资金两方面受到国家目标的影响。作为我国大科学装置典型代表的上海同步辐射光源(SSRF),其概念提出、预制研究、立项、建造和后期优化等环节都紧密结合国家目标,在推进科学研究、发展高新技术方面做出了突出贡献。

先进同步辐射光源特种电源概述

介绍了第四代衍射极限同步辐射光源(DLSR)的发展,DLSR目前处于起步阶段,涉及到很多关键技术。主要讨论了DLSR涉及到的特种电源技术,主要包括注入引出用高压纳秒快脉冲电源、高精度磁铁电源、双极性动态校正电源、大功率速调管调制器等,分别介绍了这些电源的参数要求、关键技术及解决方案。

同步辐射光源的发展和现状

综述了同步辐射的特点，同步辐射光源的发展历史和现状。介绍了下一代新光源的设计概念。

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。

合肥国家同步辐射光源现状及未来

介绍了合肥国家同步辐射光源自对国骨外正式开放以来的运行情况，及其重要应用，论述了中国首批启动的国家“九五”重大科技工程项目投资额为１亿元人民币的国家同步辐射光源二期工程的重大改进举措和实验站的增建，展望了同步辐射光源的发展远景．

合肥同步辐射光源特性计算

综合性地介绍了同步辐射光源的理论，应用这些理论计算了合肥同步辐射光源的基本性质，其中包括储存环各个弯铁、插入件（波荡器和扭摆器）的谱亮度、光通量。

第四代同步辐射光源物理设计与优化

近十年来,世界上开始大力发展第四代同步辐射光源—衍射极限储存环光源。目前我国正在建设或立项建设两台第四代同步辐射光源:高能同步辐射光源和合肥先进光源。从储存环磁聚焦结构设计与优化、束流注入与集体效应等方面,对第四代同步辐射光源的物理设计与优化进行了介绍;对国际范围内第四代储存环光源装置的研制情况进行了介绍。