上海软X射线自由电子激光单脉冲成像定时的设计与实现

上海软X射线自由电子激光装置(SXFEL)是我国首台X射线自由电子激光用户装置,目前建有2条波荡器线、2条光束线以及5个实验站.装置可提供2—15 nm波长(80—620 eV)的X射线脉冲,用于高时空分辨的前沿科学研究.利用XFEL高亮度、短脉冲和全相干的特性实现单脉冲相干衍射成像,可以有效地减轻辐射损伤,提高图像的空间分辨率.SXFEL设计重复频率为50 Hz,实现单脉冲成像的关键在于通过定时系统能够精确地控制X射线脉冲到达样品点的时间,以确保只有一个脉冲被选中用于成像.同时,还需要与成像系统的触发进行同步,以确保成像系统在正确的时间采集X射线脉冲与样品作用后的图像.本文介绍了SXFEL单脉冲成像定时的设计与实现.通过单脉冲成像的结果表明该定时方案能满足在50 Hz的SXFEL开展单脉冲成像的需求.

X射线自由电子激光与金属钌相互作用双温模型的数值分析

金属钌(Ru)具有优异的力学性能和化学稳定性,同时具有高反射率、较大临界角等优异性能,是自由电子激光装置中光学元件的候选镀层材料之一。本文对X射线自由电子激光(X-ray Free-electron Lasers,XFEL)脉冲与金属钌薄膜相互作用过程进行了模拟,采用数值方法求解双温模型(Two-temperature Model,TTM),得到了电子和晶格温度随时间的演化规律。获得激光的脉冲宽度、能量密度、穿透深度、材料的电声子耦合系数等对激光与金属钌相互作用过程中热效应的影响规律。通过对X射线自由电子激光脉冲与金属相互作用过程的双温模型数值解,可以获得材料中电子和晶格温度随时间的演化规律,并探究光源的参数对其热传输过程的影响。研究发现,金属钌晶格平衡温度与能量密度呈正相关;金属钌电子最高温度随脉冲宽度的增加而降低;金属钌的晶格平衡温度随穿透深度的减小而增加,最终趋于稳定;电子-声子平衡时间与电声子耦合系数呈负相关。本文获得X射线自由电子激光脉冲与金属钌相互作用的相关数据及基本演化规律,有助于进一步理解金属钌在激光辐照作用下材料的热效应演化机制,为自由电子激光装置光学元件薄膜材料的选取及辐照性能分析提供理论依据。

硬X射线自由电子激光电子档案库初期建设与运行

【目的】硬X射线自由电子激光项目责任主体多、时间跨度大、文档数量多,单独的纸质档案已无法覆盖项目全部建设内容,故急需一套数字化电子档案系统。【方法】硬X射线自由电子激光电子档案库着眼于硬线项目档案长期数字化保存与利用,总体上基于集中式部署分布式利用的原则,针对项目开发人员、总体档案员、项目档案员和项目管理者对档案的输入、管理和查看等不同需求,分为电子档案库前端系统和后端系统。【结果】该系统可满足硬X射线自由电子激光项目电子档案的导入、整理、存储、鉴定、利用、统计及系统管理等功能。

硬X射线自由电子激光装置中低温工厂工艺冷却水系统设计

硬X射线自由电子激光装置项目建设了国内最大的超流氦低温系统,为了让系统中冷箱、压缩机等热耗较大的低温设备实现恒温调节,保证低温系统的正常稳定运行,需设置供水水温恒定的冷却水系统。文章从工艺要求、总体布局、方案设计、系统组成、运行模式及温度控制等方面细介绍了一号井低温工厂工艺冷却水系统设计,并在试运行期间对其进行能量回收和备用冷源流量验证试验,以验证设计效果,为类似项目的设计提供经验和借鉴。

硬X射线自由电子激光装置项目建筑工地火灾扑救案例分析与研究

本文通过详细阐述硬X射线自由电子激光装置项目2标建筑工地火灾扑救案例的背景、发生经过和救援过程,对该案例进行了深入研究和分析,总结了类似救援案例的共性和特点,为今后类似火灾的扑救工作提供决策参考和技术支持,提升火灾扑救的效果和能力。同时,本文还针对辖区新型高科技企业提出加强调研、熟悉危害类型和应对措施等观点,以应对未来可能发生的类似火灾事件。

高重频硬X射线自由电子激光脉冲到达时间诊断方法研究

X射线自由电子激光(XFEL)脉冲时间诊断技术常用于实验站附近XFEL脉冲和配套激光的相对到达时间探测,是飞秒级XFEL泵浦探测实验的重要辅助技术,为XFEL和激光泵浦探测实验中两种脉冲对准提供参考信号.随着XFEL向高重频、短脉冲发展,对时间诊断中的诊断频率、泵浦样品和分辨率提出了更高的要求.该技术通过泵浦探测和光学互相关实现,当XFEL脉冲入射高带宽半导体样品瞬间,导致样品复折射率突变,使XFEL到达时间编码于突变空间.本文基于空间编码和光谱编码两种方法,研发设计了XFEL单脉冲到达时间诊断装置;并通过Beer’s吸收理论和原子散射理论对X射线与样品作用过程进行模拟,研究了该过程中X射线吸收与折射率突变的响应程度,完善了样品的分析选择模型;对光谱编码中的啁啾脉冲调制进行分析,得到色散介质和脉冲本征参数对诊断分辨率的影响.该研究对XFEL脉冲到达时间诊断装置的应用具有指导意义.

基于谐波运行的X射线自由电子激光振荡器研究获进展

中科院上海应用物理所在开展自由电子激光物理和实验研究基础上，提出了中等能量电子束团驱动的X射线自由电子激光振荡器的概念。该研究表明，利用布拉格波长为波荡器高次谐波波长的晶体组成X射线谐振腔，可以实现XN线自由电子激光振荡器的谐波运行。这种全新的工作模式在3．5GeV能量电子束团驱动下，可以产生峰值功率MW量级、

基于自由电子激光的散射技术及谱学方法进展

自由电子激光(free electron laser,FEL)凭借高相干性、高亮度、覆盖远红外至X射线波段的连续可调性,在基础科学研究、新材料、新能源、生物医学、环境监测等众多领域有着广泛的应用前景.特别是X射线自由电子激光(X-ray free-electron laser,XFEL)以其独特的超高亮度、超短脉冲、极好相干性,强力地推动了超快X射线散射和超快光谱学领域的发展.基于XFEL的超快散射技术不仅实现了对晶格动力学、电荷和自旋序的超快时间和动量分辨研究,还能够测量大动量转移范围的声子色散.将基于XFEL的超快散射与光谱学手段相结合,有望同时测量元激发能态变化及其相关的原子或序结构变化.基于XFEL的光谱学正尝试充分利用自放大自发辐射模式(self amplified spontaneous emission,SASE)的全带宽,以减少脉冲延展,最终实现时间和能量分辨接近傅里叶变换极限的光谱测量.基于XFEL的非线性光学技术为探测元激发开辟了新途径,正在发展的新方法有望为探索表面和界面过程、手性、纳米尺度传输提供独特的机会,并实现多维度芯能级光谱学.

自由电子激光在光化学研究领域中的应用

自由电子激光(FEL)光源对化学、生物、材料等领域中微观电子结构的研究有着不可替代的优势。FEL光源可以在10 fs的时间尺度内发出超短脉冲,因此其最重要的应用之一就是研究微观结构内部的超快动力学(飞秒泵浦-探测)。快速发展的自由电子激光实验技术在不同研究领域均获得广泛的应用。文章主要介绍近年来自由电子激光在光化学领域中的应用。未来在上海建成的硬X射线自由电子激光项目,可支撑物理、化学、材料、环境和生物科学等多学科及交叉科研领域,做出重大的科研成果。

上海软X射线自由电子激光腔式束流位置测量系统

上海软X射线自由电子激光装置(Shanghai Soft X-ray Free Electron Laser,SXFEL)需1个分辨率达到亚μm量级的束流位置测量系统,并采用基于束流准直的方法实现波荡器段电子束与光子束的紧密重合。为此设计研制了1个由C波段腔式探头、单路混频至低中频的射频前端以及自主研发的专用数字信号束流位置处理器(digital beam position monitor processor,DBPM)构成的腔式束流位置测量(cavity beam position monitor,CBPM)系统。本文对系统的设计、软硬件结构、系统搭建进行了介绍,并基于漂移段搭建的3个紧邻的CBPM阵列完成了在线系统性能评估。束流实验结果表明,在束团电荷量为500 pC、系统动态范围在±800μm的条件下,位置分辨率可达880 nm,这也是国内首次研制成功可在线运行的具有亚μm位置分辨率的CBPM系统。此外,采用CBPM的相位腔进行相对束团电荷量、束团到达时间的测量,其性能评估结果也均优于SXFEL设计要求。

硬X射线自由电子激光装置一级平面控制网模拟测量

硬X射线自由电子激光装置(SHINE)是一种直线型的高能粒子加速器,该装置总长约3.1km,处于埋深29m的地下隧道内,其整体安装偏差要求小于5mm,为此,必须建立高精度的一级地面平面控制网。针对SHINE一级平面控制网精度要求高、图形结构差等问题,在SHINE东侧500m左右布设模拟控制网,开展一级平面控制网模拟测量试验研究,为制定合理可行的SHINE一级平面控制网观测和数据处理方案提供科学依据。试验结果表明:①一级平面控制网可采用GNSS静态相对定位技术进行观测,使用Leica GS10接收机及AR20扼流圈天线观测2个时段、每个时段长度为4h,控制点平差坐标精度优于3mm;②使用Leica TS60全站仪进行边角网观测,水平角观测6测回,尽可能多地观测边长,控制点平差坐标精度优于3mm。建议采用GNSS静态测量技术为主、全站仪边角网测量技术为辅的方式建立SHINE一级平面控制网。

交叉型波荡器软X射线自由电子激光极化控制的影响因素

交叉型波荡器是一种实现软X射线自由电子激光极化控制的有效方式。以自放大自发辐射自由光电子激光为例,采用统计的方法系统地分析了交叉型波荡器软X射线自由电子激光极化控制的影响因素。通过对光场相干长度、光脉冲两分量之间相对滑移长度和光场分量平均功率差异等的分析,给出了优化交叉型波荡器极化控制方案遵循的原则,即:辐射场相干时间尽可能长,光场分量相对滑移长度尽可能短,辐射场分量功率差异尽可能小等。该原则为交叉型波荡器软X射线自由电子激光极化控制方案的优化提供了依据。

可调谐X射线SASE自由电子激光器的数值模拟

利用粒子经典理论建立了自放大自发辐射(SASE)自由电子激光高增益自洽方程组,编写了稳态Matlab-SASE-FEL数值计算程序;对LCLS装置参数进行了优化,给出了辐射光的各特征参数。该程序的主要优势在于基于Matlab的便利性可方便地进行后处理数据,对X射线FEL理论研究的深化和实验装置的设计和改进具有重要的意义。

首届全国X射线自由电子激光学术交流会召开

2014年9月26日-29日，全国首届X射线自由电子激光（XFEL）学术交流会在连云港召开。会议由中国物理学会粒子加速器分会主办，来自承办单位中物院流体物理研究所、中科院上海应用物理研究所，及北京大学、清华大学、中国科学技术大学、上海交通大学、中科院高能物理研究所、中科院大连化学物理研究所、中物院应用电子学研究所、北京应用物理与计算数学研究所、以及《强激光与粒子束》编辑部、四川力源电子有限公司等十多家单位的90余名代表出席了此次会议。

超快X射线自由电子激光研究进展

现代光源的发展不断推动着人们从更深层次上理解物质的基本结构和动力学行为。X射线自由电子激光作为最先进的光源,其超高的峰值功率、超短的脉冲长度和优良的相干性,为人们以原子级时空分辨率探测和操控物质中的超快过程提供了可能。目前全世界已有多个X射线自由电子激光装置建成并投入使用,在原子分子物理、化学、生命科学、材料科学等各学科应用中都显示出了重要价值。同时大量的研究工作也集中于继续提高X射线自由电子激光的性能,包括把脉冲持续时间从fs量级进一步缩短至as量级,这将为超快科学的发展带来新突破。以超快脉冲产生为主线,综述了近年来超快X射线自由电子激光产生方案的研究进展,从产生原理、方案特性、最新成果等方面介绍了各类产生方案,总结对比了各方案的优缺点,最后对超快X射线自由电子激光的未来发展方向进行了展望。

上海硬X射线自由电子激光装置调试用束流收集桶的设计

在建上海硬X射线自由电子激光装置(Shanghai high repetition rate XFEL and extreme light facility,SHINE)包含一台8 GeV的超导直线加速器,100 PW的激光系统,三条波荡线和10条实验线站。主加速器的第三磁压缩段(BC3段)有一调试用的束流收集桶,BC3段的调试电子流强为0.3μA、能量为7.7 GeV,束流功率为2.31 kW。本文从材料对7.7 GeV电子的能量吸收方面考虑,对束流收集桶的结构进行了确定。用ANSYS 17.0对束流收集桶的温度场进行了分析,结果证明在有表面空气自然对流换热的情况下,铝芯的最高温度为193.14℃,在束流收集桶坑道无外界换气的情况下,束流收集桶需要外围冷却水;用蒙特卡罗程序FLUKA对束流收集桶的活化进行了分析,保守假设束流收集桶连续注束2000 h。结果证明要保证停机1 h后,束流收集桶周围30 cm处的剩余辐射剂量小于25μSv/h,束流收集桶外围需要55~85 cm的混凝土屏蔽体;结果显示束流收集桶的剩余辐射剂量在30 min内衰减的非常快,这是由于刚停机时束流收集桶内产生的50%左右的放射性核素半衰期都小于10 min。

中能X射线自由电子激光SASE脉冲在Cr/B_(4)C多层膜结构上的反射特性

反射光学元件是X射线自由电子激光(Free Electron Laser,FEL)光束线上非常重要的器件,而FEL通常通过自放大自发辐射模式(Self-Amplified Spontaneous Emission,SASE)出光。多层膜结构,尤其是Cr/B_(4)C多层膜结构,在中能X射线范围内具有优越的光学性能。利用GENESIS软件中输出的SASE FEL脉冲数据,结合Parratt严格迭代算法和傅里叶分析的方法,优化了Cr/B_(4)C多层膜结构设计,并对其在中能X射线范围内的SASE脉冲反射性能进行了探究,特别考虑了多层膜制备过程中Cr和B_(4)C两种材料之间的扩散结构。研究结果表明:具有0.2 nm厚扩散结构的Cr/B_(4)C多层膜结构不仅可以为中能X射线提供高反射率,而且能很好地保留超快SASE FEL入射脉冲在时域和频域上的特性。

上海软X射线自由电子激光装置直线加速器束流位置测量系统研制

上海软X射线自由电子激光装置(SXFEL)作为中国第一台工作在软X射线波段的第四代光源,其产生的激光具备短波长、全相干、超高亮度、超短脉冲长度等优点,预期将会在基础科学研究领域中发挥出重要的作用。基于直线加速器的特点和需求,在SXFEL的注入器与直线加速段上选择了条带型束流位置测量系统(SBPM)作为束团位置测量工具。该系统由SXFEL束测团队自主研发设计,由条带探头、前端信号调理电子学与专用数字信号束流位置处理器(DBPM)组成,系统设计上借鉴上海同步辐射光源(SSRF)的同类型设备,并根据SXFEL的特点做了进一步的优化,束流实验结果表明该系统位置测量系统分辨率好于5.7μm@188 pC,达到国际先进水平,满足了SXFEL注入器和直线加速器段对束流位置测量分辨率的设计要求。

回声谐波放大型自由电子激光相干涡旋X射线产生方案

外种子型自由电子激光具有全相干、频谱稳定、极高亮度的优点,可以实现在超小空间和超快时间尺度下对物质结构的研究。具有特殊横向相位模式的光特别是具有螺旋相位的带轨道角动量的涡旋光已经在众多科学领域有了应用,基于自由电子激光原理产生的辐射横向模式基本上为简单的高斯模式,为产生具有横向螺旋相位的相干涡旋X射线,对基于回声谐波放大型(EEHG)自由电子激光产生涡旋光方案进行了深入研究,并且根据上海软X射线自由电子激光装置(SXFEL)的参数,进行了相关方案设计和模拟研究。三维模拟结果表明,外种子型EEHG自由电子激光可以产生峰值功率可达到GW量级的相干涡旋软X射线。

上海硬X射线自由电子激光装置正式开工建设

4月27日，我国迄今为止投资最大、建设周期最长的国家重大科技基础设施项目——硬X射线自由电子激光装置在上海张江综合性国家科学中心开工建设。这一总投资近100亿元的“大围重器”计划于2025年竣工并投入使用，为科研用户提供高分辨成像、先进结构解析、超快过程探索等尖端研究手段。