上海科技大学大科学中心

上海科技大学大科学中心隶属于上海科技大学,成立于2020年10月9日。大科学中心的建立源起于上海张江的大科学装置集群。张江地区20余年在大科学装置建设上所积累的独一无二的科学探索能力,使得位于张江的上海科技大学大科学中心享“地利”之先;当前上海科创中心的建设使得上海科技大学获得了建设“硬X射线自由电子激光装置”“活细胞成像”等大科学装置的机遇,得“天时”之附。大科学中心建立的目标是为了持续助力上海科技大学的大科学发展和积累,特别是在光子科学等领域:培养领军人才,孵化变革性技术,贡献有影响力的成果。

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.

中国光子大科学装置的发展

光子大科学装置主要分为同步辐射光源和自由电子激光装置两大类,可以产生光子能量范围从红外到硬X射线的高通量、高亮度、光子能量连续可调的光,在过去半个多世纪里已经发展成为服务于物理学、化学、材料科学、生命科学、能源、环境科学等众多学科的综合性科研中心。光子大科学装置在我国经过了40多年的发展,已经建立起较完整的体系,达到世界先进水平。文章通过对已有的和建设中的装置的描述分别介绍同步辐射光源和自由电子激光在国内的发展历程和现状,并对未来发展趋势进行展望。

短波自由电子激光在原子分子和团簇中的应用

短波自由电子激光产生的从极紫外(XUV)至硬X射线范围内连续可调的超强、超快和高相干性的脉冲辐射,为研究原子、分子和团簇中的超快电子和结构动力学过程开辟了新的途径。从原子的少光子单电离、少光子多电离和多光子多电离过程,到单脉冲的分子结构成像和时间分辨的分子动力学,再到团簇中的超快能量和质子转移过程,短波自由电子激光的应用非常广泛,并且取得了一系列重大的成果。通过一些科学案例,梳理了短波自由电子激光在原子、分子和团簇领域的研究进展。最后,总结了短波自由电子激光目前在该领域取得的成就,并展望了未来发展趋势。

跨入X射线波段:超快和非线性光谱学的研究进展

超快非线性光谱技术(远红外至近紫外波段)是探测物质动力学过程及对称性的有效手段。近年来X射线自由电子激光技术的发展使超快光谱学测量拓展至X射线波段成为可能。文章对相关的研究进展进行了评述,并着重强调X射线波段的超快非线性光谱技术对于加深人们对物理和化学现象以及材料性质等的理解具有重要意义。

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。

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。

扁平样品体系的同步辐射层析成像检测技术

利用同步辐射X射线高穿透性、高亮度等特点,结合三维重建方法,可以实现样品的三维无损成像,该技术在生物、材料、化学等领域发挥着重要作用。针对扁平样品体系,计算机断层成像(computed tomography,CT)这种常规的三维成像方法,由于其高角度信息缺失,无法实现兼顾尺寸与分辨率的无损高精度成像。近年来再次发展起来的计算机层析成像(computed laminography,CL)可以满足对扁平样品的高精度三维成像的需求。然而,当前的三维重建方法需要足够多的投影数目才能实现高质量重建。文章在已有的三维重建算法的基础上,发展了一种针对CL的傅里叶迭代重建算法(laminography Fourier iterative algorithm,LFIA),在投影角度有限的情况下,利用投影之间的相关信息恢复缺失信息,从而实现更高的重建分辨率,并通过模拟与实验验证算法的可行性。

面向先进光源线站等大科学装置的低温X射线能谱仪原理及应用进展

低温X射线能谱仪兼具高能量分辨率、高探测效率、低噪声、无死层等特点,能量分辨率与X射线入射方向无关,在暗弱的弥散X射线能谱测量方面具有明显优势.基于同步辐射及自由电子激光的先进光源线站、加速器、高电荷态离子阱、空间X射线卫星这类大科学装置的快速发展对X射线探测器提出了更高要求,因而低温X射线能谱仪被逐步引入到APS,NSLS,LCLS-Ⅱ,Spring-8,SSNL,ATHENA,HUBS等大科学装置与能谱测量相关科学研究中.本文从低温X射线能谱仪的工作原理及分类、能谱仪系统结构、主要性能指标以及国内外大科学装置研究现状及发展趋势等方面作简要综述.

基于中能X射线的电催化基础研究:用于电化学体系中液/固和气/固界面原位探测的实验室近常压光电子能谱

在“双碳”目标背景下,推进产业和能源结构调整,发展可再生能源和提高能源利用效率成为当务之急.电催化在提高能源效率、减少碳排放和实现全球能源体系的可持续发展中扮演重要角色.阐明电解质/电极界面的反应机制是从原子分子层面理解电催化反应机理的前提,对于理性合成高效催化剂以及开发先进可再生能源技术至关重要.在界面反应机制的研究中,一项关键要求是如何在工况条件下原位探测界面处的反应中间体、化学环境和电子结构的实时变化.该要求对传统的X射线电子谱学实验方法提出了挑战.由于传统的X射线电子能谱需要在超高真空的环境中开展实验,导致该技术很难直接应用于电催化反应条件下的表征.为了克服这一难题,本文发展了用于电化学体系中液/固和气/固界面原位探测的实验室近常压光电子能谱.该装置利用中能X射线(金属Cr的Kα发射谱线,能量5.4 keV)作为激发光源,配备HiPP-2电子能量分析器.为满足电化学体系研究,整套系统采用紧凑型设计,通过分析测试腔体将X光源和电子能量分析器相连.该近常压X光电子能谱仪的工作压力为30 Torr(室温下水的饱和蒸汽压为20 Torr),可以直接将电化学溶液体系放入测试腔体.分析测试腔体配备快门,通过X射线窗口和分析器挡板,可在不影响X光源和分析器真空的条件下快速更换研究体系.通过原位样品杆的设计,满足电化学三电极装置在测试腔体内的使用.借助“浸-拉”方法在工作电极表面制备10纳米量级的连续液膜,从而实现液/固界面的探测.通过使用三电极装置,该近常压光电子能谱系统可以表征电极表面物种、电解液以及电解液/电极界面随电位的变化.此外,还通过对钠氧模型电池的研究,展示了该系统如何探测气/固界面在电化学反应中的变化.本文还总结了当前在电化学研究中应用近常压光电子能谱的一些挑战和发展前沿,期望通过仪器研发和电化学研究两个领域科学家的共同努力,为现实反应条件下电化学界面的组成-反应性能关系的理解做出贡献.

光泵浦太赫兹探测对于不同掺杂硅的光激发动力学表征

提出了一种光泵浦太赫兹探测技术的改进方案,使用双色飞秒激光场电离空气诱导等离子体辐射的超短宽带太赫兹脉冲作为探测脉冲,表征了硅的光激发动力学,通过表征过程验证了基于所提改进方案的光泵浦太赫兹探测系统的性能。硅的泵浦深度随泵浦功率的增加而提高,400 nm泵浦光的泵浦深度大于800 nm泵浦光。使用400 nm泵浦光,p掺杂硅的泵浦深度最大,本征硅次之,n掺杂硅最小;而使用800 nm泵浦光,p掺杂硅的泵浦深度最大,n掺杂硅次之,本征硅最小。此外,基于探测脉冲的超宽带宽和超短脉宽,还观测到了p掺杂硅中的亚皮秒激发态声子波包振荡。

强激光场原子电离光电子轨迹干涉全息理论及应用

隧穿电子在外场的牵引下一个光周期以内返回核附近发生再散射现象是理解强场物理的基本物理图像.再散射电子与直接电离电子波函数发生干涉导致的所谓强场光电子全息在研究强场电离基本原理以及探测超快电子动力学上具有显著的优势.本文给出了量子轨迹干涉作为光电子全息基本物理背景的图像,合理地引入库仑势的效应,发展了一致性glory再散射理论.将此理论的计算结果与实验以及含时薛定谔方程做对比,得到了很好的定量符合结果.同时,研究了通过库仑glory再散射过程作为时间快门对超短光脉冲进行时间域重构的方法.对强场光电子全息的研究将加深对原子分子超快物理过程的认知,为未来利用或者操控这一过程做出重要贡献.

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。

POLAR伽马暴瞬时辐射偏振测量与脉冲星导航试验研究进展

伽马射线暴(简称伽马暴,gamma-ray burst,GRB)从发现至今已超过半个世纪,其观测样本得到了极大提高,理论研究也取得了瞩目的成果.但对伽马暴的研究还有诸多未解之谜,例如伽马暴的分类和起源、爆发过程中的喷流成分、辐射机制和磁场构型等.其中,对于伽马暴的辐射机制,科学家提出了多种理论模型,不同的模型对于伽马暴爆发期间产生的伽马射线偏振状态的预测不同.因此,采用测量偏振的方法,可以对伽马暴的爆发机制进行研究,并且理解产生伽马射线的极端相对论喷流的结构及其磁场的构型等物理问题.然而,测量伽马暴瞬时辐射过程中的偏振具有极高的挑战性.伽马暴偏振探测仪(POLAR)是一台专门用于高精度测量伽马暴瞬时辐射偏振的空间望远镜,2016年9月15日搭载于我国的空间实验室“天宫二号”成功发射.POLAR在轨共探测到55个确认的伽马暴,首批给出了5个伽马暴的高精度偏振测量结果,最终统计性地给出了14个伽马暴的偏振测量结果.同时,POLAR还观测到了Crab脉冲星信号和太阳X射线耀发事件等.本文简要介绍POLAR,并给出其在轨伽马暴偏振测量结果以及利用观测到的脉冲星信号所开展的导航试验研究进展情况.此外,简要介绍POLAR的后续实验项目POLAR-2,对其未来的科学探测能力进行展望.

硬X射线自由电子激光分束延迟光学系统

为解决硬X射线自由电子激光装置难以提供皮秒至纳秒区间时间分辨的问题,提出了面向目前在建的上海硬X射线自由电子激光装置分束延迟的系统设计。采用基于晶体衍射的延迟方法设计分束延迟光学系统,计算了延迟时间范围,模拟了系统光通量,搭建了一台样机并进行了光路对准实验。该设计采用空间分光方式,将入射脉冲分为两个部分,并通过路程差在二者之间引入时间延迟,具体的原理样机设计适用于光子能量在7~11 keV范围,最多能实现-15.4~503.3 ps的时间延迟。使用Shadow模拟了样机设计的光通量,两个分支光通量分别为33.54%和33.64%,符合1∶1的设计目标。使用绿光激光进行了样机的光路对准实验,证明该样机能使空间分光后的两束光重新复合,为后续X射线验证实验提供基础。该设计具有空间尺寸小、延迟范围大、入射能量和延迟时间连续可调的优点,为上海硬X射线自由电子激光装置的分束延迟系统研制提供参考。

光学元件污染对X射线自由电子激光光束质量的影响

光学元件污染对X射线传输有很大的影响,尤其是高亮度、高相干X射线自由电子激光的传输。然而,目前针对X射线自由电子激光光学元件污染问题的相关研究非常少。首先,给出了X射线自由电子激光的特性。然后,总结了同步辐射中碳污染问题的影响、控制和清洁方案。接着,分析了在X射线自由电子激光光束线中碳污染对光束品质影响的特殊之处。最后,分析了颗粒污染在X射线自由电子激光光束线中可能发生的损伤、熔化和遮挡三种情况对光束品质的影响。

DC-SQUID串联阵列直流特性研究

为更好地研究直流超导量子干涉器件(Direct Current Superconducting Quantum Interference Device,DCSQUID)串联阵列的直流特性,我们基于约瑟夫森结RSJ(Resistively Shunted Junction)模型建立了适用于DCSQUID串联阵列的直流关系方程,并通过求解等效福克-普朗克方程,获得了高斯白噪声影响下DC-SQUID串联阵列直流特性的解析表达式。DC-SQUID串联阵列的实测结果验证了本文所提理论公式的正确性。实验结果表明:DC-SQUID串联阵列在低温下具有超高的Fano因子,亟待进一步深入研究。

高热负载X射线反射镜多段复合冷却方法优化

高重复频率的自由电子激光和低发射度的同步辐射衍射极限环光源对反射镜的热变形提出了更高的要求。针对上海硬X射线自由电子激光装置(SHINE)高热平均功率的特点和波前保持的需求,计算了第一条光束线中第一面反射镜M1在不同能量点下的热功率分布,并建立了有限元热学和结构耦合分析模型进行了M1的热变形计算和波前传播模拟。最终,采用多段冷却和复合使用的方式对反射镜冷却进行了优化设计,使得在入射光能量为7.0 keV、掠入射角为4.0 mrad的情况下的额定热功率从0.48 W提高到了3.06 W,工作重复频率提升了6.4倍。光学模拟结果显示,在其他不同特定能量点下额定热功率也有2.0~8.3倍的提升。