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。

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。

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。

束流轨道快校正磁铁电源研究进展

快校正磁铁电源能够对束流轨道的偏离进行快速校正,提升同步辐射光源运行的可靠性。随着第四代衍射极限储存环(DLSR)光源品质的进一步提高,为了保证束流轨道的稳定性,快速轨道反馈(FOFB)系统对校正磁铁电源的性能也提出了更高的要求。针对先进同步辐射光源FOFB系统对快校正磁铁电源的需求,将目前国内外第四代同步辐射光源束流轨道快速校正磁铁电源的研究成果分为线性电源和开关电源两类,对各方案的拓扑结构、控制策略以及性能参数的特点等进行了简要对比分析,可以看出目前国内外正在研制的快校正磁铁电源响应带宽基本可以达到5 kHz甚至10 kHz水平,线性电源的低纹波噪声特性具备应用优势但需要关注效率低的问题;开关电源方案具有高效、模块化等特点,如果可以有效解决纹波噪声问题,将会更广泛地应用在快校正磁铁电源的设计中。

EPICS和合肥光源控制系统

介绍了一种分布式控制系统EPICS的总体结构及其各组成部件的功能。同时 ,对依据EPICS进行的合肥光源控制系统二期工程改造及其进展情况 ,以及EPICS在合肥光源控制系统改造中的应用也进行了概述。

合肥光源储存环控制系统

合肥光源储存环控制系统是一个基于EPICS(Experiment Physics and Industrial Control System)的分布式控制系统,本文首先描述其硬件结构、软件设计,然后重点介绍束流慢加速、束流闭轨校正、机器状态在线查询、数据存档及历史数据查询等应用软件的开发。运行结果表明,合肥光源储存环控制系统很好地满足了机器运行和机器研究的需要。

X射线反射镜研制技术的现状和发展

本文总结了当前同步辐射X射线反射镜光学制造技术的需求背景、发展现状以及未来方向。同步辐射光源是国家重大科学装置,作为同步辐射光源重要光学元件的X射线反射镜,直接决定着光学调制品质。短波长掠入射的特殊应用场景,使X射线反射镜有着更为特殊且高精度的面形要求,其加工与检测技术长期为国外所垄断,国内发展较为缓慢,面对国内未来同步辐射装置的建设需求,我国亟需打破这一现状。

BEPC储存环同步光束流测量光学系统

概括了同步光束流测量的特点 ,简单描述了北京正负电子对撞机 (BEPC)现有同步光束流测量系统。根据BEPC改造对同步光束流测量系统提出的最新指标 ,提出了改造原有系统的新方案。对同步光引出镜进行了全新设计 ;采用高分辨率面阵CCD实现束团横截面尺寸测量、束团强度测量和束团位置检测 ;采用条纹相机实现束团纵向长度的测量 ;利用Zemax程序对新方案进行成像质量分析 ,束团纵向长度测量分辨率为 2 ps ,束团横截面尺寸测量分辨率为 2 0 μm。

合肥光源储存环新高频控制系统

合肥光源储存环新高频控制系统是一基于EPICS的分布式控制系统。文章描述它的硬件结构、软件设计及测试结果。经一年多的实际运行表明,该控制系统能很好满足与高频系统相关的机器研究和运行的需要。

NSRL二期工程中加速器控制系统的改造

为了达到二期工程实现机器长期、可靠、稳定运行的目标,对HLS控制系统进行了全面的改造和升级.在改造中,我们在国内率先采用国际加速器控制界流行的软件开发工具EPICS(experimental physics and industrial control system)作为开发环境,并以其构架要求设计了软硬件系统,建立起一个分布式的控制系统.在此基础上开发了大量用于光源运行和机器研究的应用软件.运行结果表明,合肥光源控制系统改造很好地完成了二期工程的设计要求,满足了机器运行和机器研究的需要.

先进光源磁铁支撑基座稳定性的实验研究

基座作为磁铁支架的基础,其制作工艺以及与地面连接固定方式的不同将影响磁铁与支架的稳定性。基于先进光源对磁铁支撑系统稳定性的极高要求,开展了基座安装浇筑实验,选取工程上常用的几种混凝土施工工艺,制作统一外形尺寸的实验件,通过锤击法逐一测试其固有频率,评估其稳定性,得到二次灌浆可有效提高稳定性、环氧基灌浆料获得的稳定性优于水泥基灌浆料等结论。基于固有频率测试结果,以HEPS支撑系统为例分析了不同的基座安装方式对系统模态的影响。

合肥光源储存环四六极磁铁组合支撑设计及样机振动测试

目前正在进行的合肥同步辐射光源的改造项目,对电子储存环内束流的稳定性提出了更高的要求.储存环地基的固有振动会导致支撑机构和四六极磁铁的振动,影响磁场位形,从而降低束流稳定性和束流寿命.针对上述问题,设计了新的四六极磁铁组合支撑机构,测试了储存环地基、现有支撑以及新组合支撑样机的振动情况,分析地基振动的影响因素、变化情况、能量分布等,计算并对比现有支撑和新组合支撑样机对地基振动的放大情况.结果表明,新组合支撑样机的抗振性能明显优于现有支撑,有利于提高束流稳定性,满足储存环物理设计要求.

6万高斯超导 Wiggler 的研制和调束

我国第一台６万高斯超导Ｗｉｇｇｌｅｒ于１９９７年４月完成加工。经过磁场和低温参数测量，性能指标完全达到设计要求。１９９８年１月安装到合肥国家同步辐射实验室的储存环上。同年３月超导Ｗｉｇｇｌｅｒ调束成功。Ｗｉｇｇｌｅｒ磁场顺利到达６万高斯，１－３的硬Ｘ射线同步辐射光通过光束线前端到达观察窗。本文介绍这台超导Ｗｉｇｇｌｅｒ的主要性能及６万高斯超导Ｗｉｇｇｌｅｒ投入后对储存环工作点的影响和调试出束的方法。

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

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。

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．

上地幔超高压流体的金刚石压砧实验研究

地球深部流体主要是NaCl-H2O溶液,越到地球深部,它赋存的温度、压力越高,性质状态也不断变化,反之,亦然。当NaCl-H2O流体进入和脱离(上升过程)超临界状态时,其性质会发生截然不同的变化,影响着各种地质过程。使用金刚石压砧在高温高压下原位观测流体的实验,用谱学方法,结合同步辐射光源技术,成为定量化研究地球深部高温超高压流体的有效方法。作者使用同步辐射光源的红外谱研究了10GPa下的NaCl-H2O溶液;在地球化学动力学实验室研究了3GPa,650℃下的NaCl-H2O溶液红外谱,此测量方法可以提供温度压力和体积等数据,能研究其状态。NaCl-H2O溶液红外谱表明水分子主要振动谱受压力和温度影响是不同的。压力增加促使水分子主要振动谱向低波数变化。但是温度增加的效应相反。常温高压下水被压缩,结晶向紧密堆积变化。高温高压下的水有气、液、固和超临界流体各相。水分子间的氢键在近临界态开始减弱,氢键网络被破坏。