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。

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。

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。

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.

高能同步辐射光源快速轨道反馈系统数据分发方案设计与实现

作为第四代同步辐射光源,高能同步辐射光源对束流轨道稳定性提出了极高的要求,即在500 Hz左右带宽范围内,储存环中束流轨道的水平和垂直方向稳定度要优于该方向束团均方根尺寸的10%。为实现上述目标,快速轨道反馈系统的延时要尽可能低。快速轨道反馈系统将束流位置监测器(BPM)数据从BPM电子学接收并分发至所有子站,其数据传输延时是系统的主要延时。对此,设计并实现了一种基于高性能现场可编程逻辑门阵列(FPGA)和高速收发技术的数据分发方案,来满足快速轨道反馈系统的低延时和高带宽的需求。经过验证平台的搭建与测试,系统数据分发总延时小于10μs,且24 h内未出现误码,满足高能同步辐射光源快速轨道反馈系统的需求。

面向同步辐射光源图像的可并行智能压缩方法

在建的高能同步辐射光源预计会产生海量原始数据,其中硬X射线实验线站产生的图像数据占比最高且具有高分辨率和高帧率的特点,亟需有效的无损压缩方法缓解存储和传输压力,然而现有通用无损压缩方法对该类图像压缩效果不佳,基于深度学习的无损压缩方法又耗时较长。结合同步辐射光源图像的特点,提出一种在保证图像压缩比前提下的可并行智能无损图像压缩方法。通过参数自适应的可逆分区量化方法,大幅缩小图像经过时间差分后的像素值分布范围,能够节省20%以上的存储空间。将以CNN为基础架构的时空学习网络C-Zip作为概率预测器,同时以数据集为单位过拟合训练模型进一步优化图像压缩比。针对压缩过程中耗时较长的算术编码过程,利用概率距离量化代替算术编码,结合深度学习进行无损编码,增加编码过程的并行度。实验结果表明,该方法的图像压缩比相比于PNG、FLIF等传统图像无损压缩方法提升了0.23~0.58,对于同步辐射光源图像具有更好的压缩效果。

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。

我国首台高能同步辐射光源增强器全线贯通光源建设任务将于2025年全部完成

据中国科学院高能物理研究所介绍:位于北京怀柔科学城的第四代光源高能同步辐射光源增强器于2023年1月13日全线贯通,进入设备调试阶段。增强器是高能同步辐射光源(HEPS)加速器的重要组成部分,周长约454 m,主要负责将电子束流从500 MeV加速到6 GeV,同时在6 GeV时接受储存环引出的束流并完成电荷积累,在满足引出的条件下,适时将束流引出并注入至储存环。增强器设备安装任务包含预准直、隧道安装、精准直、真空连接与封装等,此次全线贯通标志着高能同步辐射光源建设又往前迈进了一大步。

高能同步辐射光源直线加速器满能量出束

据报道,国家重大科技基础设施高能同步辐射光源(HEPS:High Energy Photon Source)直线加速器2023年3月14日满能量出束,成功加速第一束电子束。这是HEPS装置建设的又一重要里程碑,标志着HEPS进入科研设备安装、调束并行阶段。

我国首台高能同步辐射光源增强器全线贯通

1月13日,由中国科学院高能物理研究所承担建设的高能同步辐射光源(HEPS)迎来重大进展,位于北京怀柔科学城的高能同步辐射光源增强器全线贯通。这是国家重大科技基础设施建设“十三五”规划确定建设的十个重大科技基础设施之一,建成后的HEPS将是我国第一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。

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。

上海光源同步辐射空间干涉仪研制

研制了上海光源同步辐射空间干涉仪,用于储存环束团横向截面尺寸及发射度的精确测量。对干涉仪工艺设计中的光路参数、关键设备选型、数据处理方法及数据采集处理软件结构进行了分析讨论。结合束流实验完成了系统调试及运行参数优化,结果表明,CCD增益系数与曝光时间设置对测量精度有显著影响,增益系数设为0 dB,曝光时间设为200 ms时,随机测量误差可控制在μm量级。对上海光源储存环横向束斑尺寸进行了精确测量,结果表明:空间相干度曲线近似为高斯分布,可以采用单一空间频率的相干度测量值进行快速束斑尺寸计算;水平束斑尺寸实测值为52.4μm,与理论值预期值53.0μm相比,差异小于2%;系统测量误差约为5.5%,主要误差来源为相干度随机测量误差。

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。

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。

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。