浅析上海光源加速器水电设备科学运维

工艺水电设备是上海光源加速器正常运行的重要基础。随着运行年数的增加,机器老化问题日益严重,近5年来,丢束故障时间及Alarm报警次数均有明显上升。针对该问题,本文首先系统介绍了上海光源加速器工艺水电设备,并梳理了近年来各类故障造成的丢束时间及运行维护工作的挑战,进而对科学运维方法进行分析;接下来给出基于科学运维方法的具体工作流程,详述了各项日常维护及寒暑期维护工作的重点;在此基础上建立加速器水电设备科学运维的总结论述,以期尽可能地降低故障影响,保障上海光源的稳定运行。

电网波动对上海光源运行的影响及分析

电网波动对上海光源加速器的正常运行有较大影响。针对该问题,展开了系统的分析和研究工作。首先介绍了电网波动的成因以及电网波动对上海光源的影响情况。通过对具体事例进行分析,优化了上海光源加速器受电网波动影响后的基本恢复流程。分析了各硬件系统在发生电网波动时的不同表现,并依此探讨了如何优化此类故障的处理流程,建立完善的机器恢复程序。针对外电网波动提出若干建议,并提出了面对电网波动时需要采取的措施,尽可能降低电网波动对如低温压缩机、超导高频腔等关键设备的影响。以期缩短实际故障时间,加快机器恢复速度,保障上海光源稳定运行。以近10年运行数据为基础,研究发现电网波动对上海光源的影响存在若干重要阈值,这些阈值对机器恢复具有指标性作用。对因电压暂降产生的二次故障进行分析讨论,并提出若干建议。

NFPS/上海光源BL01B同步辐射红外谱学线站的应用综述

同步辐射(Synchrotron Radiation,SR)红外光具有亮度高、光谱范围宽等优异的性质。基于上海同步辐射光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility,SSRF)建设的国家蛋白质科学研究(上海)设施(National Facility for Protein Science,NFPS)BL01B红外线站可进行高分辨的傅里叶变换红外(FTIR)显微研究,空间分辨率可达衍射极限。自2015年红外线站正式开放以来,来自多个领域的课题组与红外线站合作做出了诸多创新性的重要成果。本综述将对近三年内BL01B红外线站的用户应用成果进行介绍,并对同步辐射傅里叶变换红外光谱(SR-FTIR)技术的发展和应用进行讨论。这些应用涉及材料科学、环境科学、药物科学、细胞生物学和高压科学等领域。

上海光源线站ps精度定时系统设计

为满足上海光源线站工程ps时间分辨科学研究需求,设计了ps精度定时系统.定时系统采用事件定时原理产生与射频时钟信号共相位的时钟信号、光纤传输网络用于时钟信号传输,并在EPICS软件控制架构下,产生高精度可控时钟同步信号序列,根据不同的同步控制需求,为激光器、探测器等被同步设备提供触发信号.研究结果表明:定时系统的硬件同步触发抖动为3.360 ps、延迟步长精度为3.703 ps,可实现10 ps时间分辨实验的同步控制.

上海光源硬X射线相干衍射成像实验方法初探

相干X射线衍射成像方法是一种先进的成像技术,分辨率可达纳米量级.国际上大多数的同步辐射装置和自由电子激光装置都建立了该成像方法,并有将其作为主要成像技术的趋势.上海光源作为目前国内唯一的一台第三代同步辐射光源,尚未建立基于硬X射线的相干衍射成像实验平台.随着一批以波荡器为光源的光束线站投入使用,使得该方法的建立成为了可能.本文基于上海光源BL19U2生物小角散射线站,通过有效的光路设计,搭建了相干衍射实验平台,在12 keV和13.5 keV能量点均获得了硬X射线相干光束,并基于小孔衍射测量了入射光束的空间相干长度.该平台支持常规和扫描相干衍射实验模式,对小孔衍射图样及波带片扫描衍射图样实现了正确的相位重建,证明了该平台初步具备开展硬X射线相干衍射成像实验的能力.硬X射线相干衍射成像实验平台为国内首次建立,将为国内该实验方法的发展和应用提供有效的软硬件支持.

上海光源工程超级混凝土隧道的裂缝控制

针对上海光源工程超长、大体积混凝土结构的特点,为满足加速器工艺对混凝土结构裂缝控制的特殊要求,介绍了设计、施工、材料综合采取的裂缝控制措施,达到预期的裂缝控制目标。

上海光源极紫外光刻胶检测平台

极紫外光刻技术作为下一代光刻技术,被行业赋予了拯救摩尔定律的使命。极紫外光刻胶是极紫外光刻技术的核心子技术之一,其分辨率、粗糙度、灵敏度以及放气情况等指标的检测是开展极紫外光刻胶研发的必要条件和实现极紫外光刻胶配方优化的重要环节。基于同步辐射的极紫外干涉光刻技术是目前最适合开展的一种用于极紫外光刻胶性能检测的方法。上海光源根据相关的研发需求,已建立了一个基于该方法的极紫外光刻胶检测平台。通过不断改善装置的稳定性,发展自主的分束光栅掩膜制作技术,以及不断摸索和优化相应的干涉曝光工艺,目前检测平台的曝光分辨率测试水平已能达到20 nm以下,基本满足极紫外光刻7 nm工艺节点的相应要求。

实验室光源的微束X射线荧光成像系统研制及应用研究

微束X射线荧光成像(μ-XRFI)是无损获取样品内部元素微区分布信息的重要方法,主要应用于微米量级区域内的元素分辨成像。同步辐射是μ-XRFI的理想光源,由于其装置庞大、造价高昂,用户机时紧张,并不适宜于常规应用。基于实验室X射线光管、多毛细管聚焦镜、高精度样品台及硅漂移探测器,研制了一套具有元素分辨的μ-XRFI系统,性能测试结果表明该系统可以测量分析元素含量为0.001%量级的溶液样品和优于20μm的空间分辨能力。基于该μ-XRFI系统开展了应用研究,获得了小鼠脑、芯片及古代陶瓷样品中的多种主要元素及微量元素的空间分布,结果表明该系统可满足μ-XRFI的需求,可为生物医学、电子元件检测、瓷器色彩成分鉴定等领域研究提供帮助。

上海光源硬X射线光束在线监测

设计了一种基于荧光成像的X射线光束在线监测装置,用于上海光源硬X射线光束的实时在线监测。相较于现有位置监测器和气体电离室,该装置能实现2 kHz高速采集,具有实时监测光束位置、通量、尺寸以及重建入射光波前相对变化量的功能,且不会影响下游实验开展。该装置可用于光学器件和实验位置反馈,在超长和微纳聚焦光束线站将有很好的应用。在上海光源时间分辨超小角散射线站的USAXS和微聚焦SAXS实验站利用该装置开展在线监测实验,采集并分析了常用实验帧率下的光束稳定性数据,得到了该线站光束位置、通量、尺寸分布的时频域信号和入射波前的相对变化情况,验证了该装置的可行性。

上海光源BL14W1线站透射XAFS数据采集系统升级

X射线吸收光谱(X-ray Absorption Spectroscopy,XAS)在材料科学、生物学、化学等领域有着广泛的应用。为了提高上海光源BL14W1光束线站同步辐射X射线吸收精细结构谱(X-ray Absorption Fine Structure spectroscopy,XAFS)的透射数据采集的效率,搭建了基于分布式数据采集节点和XAFS测试多样品架的数据采集系统。分布式数据采集节点采用了集成式设计,开放了底层系统,能够直接获取电压信号和编码器信号,并具有体积小、噪音小、成本低、易于维护等优点;XAFS测试多样品架提供了12个样品孔位,并可以远程控制其孔位切换。将两个硬件设备相结合搭建出新型数据采集系统,并提供了多样品自动筛选采谱的功能。采用LabVIEW编写的新数据采集系统与自动筛选采谱程序实现了多样品XAFS的自动筛选及高信噪比自动采集,大大提高了数据采集的效率,为整个线站的运行带来采谱效率大幅提高、成本降低、维护难度降低、占用空间减小等多方面的提升。

上海光源

大科学装置是建立国家大型科研基地的重要条件,其建设能带动国家高新技术的发展.目前我国已建成了一批大科学装置,其中有不少与物理学相关,《物理》从本期开始开辟"大科学装置"栏目介绍与物理学相关的我国大科学装置的建设、运行和相关的研究等,以增进广大读者对大科学装置的了解与认识,促进大科学装置的开放与共享.

上海光源束团纯度测量系统的研制与应用

上海同步辐射光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility,SSRF)目前正在进行二期线站工程建设,其中基于时间分辨的泵浦实验是线站工程的重要目标之一。高时间分辨率实验对于束团纯度的要求达到10^(-5)量级以上,纯度测量是关键技术之一。然而传统基于束流位置测量探头的逐束团电荷量测量系统分辨率仅能到10−4量级。基于时间相关单光子计数技术,在原有同步光诊断线上建立了束团纯度在线测量系统。为了验证和提高系统的性能,设计了评估实验,同时对系统进行了优化。测试结果表明:搭建的束团电荷量纯度测量系统,分辨率在分钟量级可达到10^(−7)量级。利用系统的高时间和纯度测量分辨率能力的优势,进行了束团纵向分布测量应用的探索,并对储存环的填充模式对束团纯度的影响进行了研究。

顶空气相色谱法测定氢气纳米气泡水中的总氢含量

氢气纳米气泡在环境修复、能源燃料和医疗健康等领域具有广泛的应用前景。目前氢气纳米气泡水中总氢含量的测定方法还相对有限,无法准确评定相关发生设备的性能。顶空气相色谱法通过加热使顶空瓶内体系达到气液平衡的方式将水样中的氢气转移到气相中,利用气相色谱仪来测定氢气纳米气泡水中的总氢含量。结果表明:样品的最佳平衡温度为50℃,平衡时间为15 min。通过对氢气纳米气泡水中氢气纳米气泡的数量浓度及粒径分布的检测,证实了该顶空气相色谱法适用于大多数纳米气泡产生方式所制备的氢气纳米气泡水体系,即氢气纳米气泡数量浓度范围为106~108个/mL,平均粒径范围为100~300 nm。当氢气纳米气泡数量浓度为6.7×10^(6)~3.8×10^(8)个/mL时,对应测得的氢含量为0~3.12 mg/L,氢气纳米气泡数量浓度与对应氢含量变化一致,且能在2 min内完成检测。该方法简单高效,可以满足不同数量浓度氢气纳米气泡水的测试要求,为测定氢气纳米气泡水中总氢含量提供了可行的选择,有助于进一步研究氢气纳米气泡在各领域的重要应用并进行发生设备的性能评价。

锂电池正极材料化学及形貌的X射线纳米谱学成像研究

锂离子电池高镍三元正极材料是储能领域的研究热点之一,多次循环后材料内部化学不均匀性与形貌缺陷,会造成电池失效与性能衰退,深入了解电池容量衰减变化及其原因需要对材料进行快速、高效无损的观测和分析。基于同步辐射的硬X射线全场透射显微镜(TXM)是一种可无损研究物质内部结构且具有纳米分辨的成像技术。随着高亮度、高性能同步辐射光源的发展,同步辐射的TXM技术获得了快速发展,使得TXM成像方法具有更高的实验效率和空间分辨率。X射线纳米谱学成像(TXM-XANES)是将TXM与X射线吸收近边结构谱(XANES)有机结合的成像方法,TXM-XANES能够从纳米尺度上表征微米级能源材料的内部元素空间分布及化学态等信息,解决了常规方法由于表征材料局部区域而缺乏整体表征,或表征集合平均值特性而错过材料局部化学状态变化的问题。TXM-XANES作为基于TXM发展的多模态联合表征技术,已逐渐成为能源材料研究的重要实验方法之一。介绍了上海光源纳米三维成像线站及TXM成像系统,阐述了X射线纳米谱学成像方法的原理及其特点。X射线纳米谱学成像和纳米CT方法对锂离子电池正极高镍层状三元氧化物材料LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_(2)(NCM622)粉体进行了表征,获得了纳米尺度下NCM622单颗粒样品中Ni元素化学态的空间分布信息及单颗粒的三维结构信息。对电池材料的三维X射线纳米谱学成像方法进行了介绍和展望。

银染高尔基染色法用于神经元完整结构成像

高尔基染色是神经元树突和树突棘可视化的经典方法,目前仍被广泛用于神经元形态可视化。银高尔基染色目前存在易产生黑色沉淀、染色神经元形态结构不完整等问题。对重铬酸钾(K_(2)Cr_(2)O_(7))和硝酸银(AgNO_(3))如何影响银染高尔基染色方法的染色效果进行了研究,通过研究染色液组成成分重铬酸钾、硝酸银质量浓度变化和组分的不同作用方式,实现了对银染高尔基染色方法的优化。结果表明,35 mg/mL多聚甲醛(Paraformaldehyde,PFA)和20 mg/mL K_(2)Cr_(2)O_(7)混合液染色效果要明显优于20 mg/mL K_(2)Cr_(2)O_(7)单独染色效果,在K_(2)Cr_(2)O_(7)的质量浓度优化过程中,80 mg/mL K_(2)Cr_(2)O_(7)的染色效果最佳,35 mg/mL PFA与20 mg/mL K_(2)Cr_(2)O_(7)混合溶液和80 mg/mL K_(2)Cr_(2)O_(7)最佳染色时长比为3∶1,染色过程中AgNO_(3)的最佳质量浓度为10 mg/mL,在最终的染色液组成成分以及作用方式中40 mg/mL PFA固定2 d、35 mg/mL PFA和20 mg/mL K_(2)Cr_(2)O_(7)混合溶液处理3 d、80 mg/mL K_(2)Cr_(2)O_(7)处理1 d和10 mg/mL AgNO_(3)处理5 d对脑组织神经元形态的可视化具有最佳效果。优化后的银染高尔基染色方法可实现对神经元的完整形态结构染色,同时在染色过程也将产生更少的成像杂质沉淀噪点。该工作将提供一种新的高尔基改良染色方法,实现神经元完整形态结构的染色,有望为研究脑神经元结构变化与脑疾病之间的关系提供新的染色方法。

工作点反馈系统对同步辐射光源运行稳定性的提升（英文）

上海同步辐射装置(SSRF)储存环上目前已经安装了十台插入元件(IDs)。在用户时间,插入元件的间隙被反复地调整以进行科学实验。虽然使用了插入件前馈系统,但依然存在扰动束流光学的残余四极场,它会导致束流横向振荡工作点的变化,进而影响机器的性能和同步辐射光亮度的稳定。为此,我们研发了一个工作点反馈系统来解决这个问题,并且已经在上海光源储存环上投入了运行,在两周左右的运行周期内,工作点的稳定度达到了±0.001。这个反馈系统还有另一个重要功能,即可以根据监控反馈系统校正电流的变化趋势来判断二极磁铁电源和四极磁铁电源是否存在慢漂问题。为了验证这个工作点反馈的可行性,我们对使用反馈前后几周的束流参数进行了比较,包括储存环注入效率、束流寿命、水平方向束斑尺寸以及β函数的变化情况(beta-beatings)。

储存环全相干光源

基于电子储存环的同步辐射具有稳定性高、光子能量范围广、支持多用户等优势,但其辐射相干性较差。在储存环上实现相干辐射不但可以大幅提高辐射光的相干性,同时还可以极大地提高特定频谱范围内的光通量、亮度和能量分辨率。随着光通量的提高,其功率有可能达到工业应用的水平,这将拓展光源的应用范围。回顾了基于电子束储存环的各类相干光源的发展历史,并展望其发展趋势。

激光技术在光源电极中的应用

随着激光焊接技术的成熟,其在电子工业中,包括在照明行业中得到了广泛的应用。由于激光焊接热影响区小,加热集中迅速、热应力低,被焊接工件变形极小,几乎没有连接间隙,焊接深度/宽度比高,因此其焊接质量在各类产品的焊接中显示出独特的优越性。为此,文章对电极焊接形式作了深入研究和探讨,为制造高光效、长寿命、光色好的照明产品提供了保障。同时掌握电极激光焊接制造技术,占领市场,提高企业的核心竞争力。

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.

时变复杂背景自由运动目标的高灵敏追迹成像

复杂背景下低可见度目标追迹是成像领域的一个重要研究方向,现有方法难以对运动方向和速率均无规则变化的低可见度目标进行追迹成像.运动衬度成像可大幅提升目标追迹的灵敏度,已在X射线成像领域取得重要应用,但仅局限于固定轨迹或单调背景的成像.本文将运动衬度成像引入到时变复杂背景中轨迹不确定的目标追迹成像任务,通过解决现有方法受复杂背景和高频噪声干扰严重的问题,实现目标的高灵敏追迹成像.天空和树林中飞鸟的追迹结果表明,该方法能有效地消除野外自然光和树叶无规则摆动导致背景灰度无规则变化的影响,实现时变复杂背景中自由运动弱信号小目标的高灵敏追迹成像.本文发展的方法有望为低可见度目标追迹成像提供一种新的手段.