Libera Photon处理器在上海光源XBPM中的应用研究

上海光源X射线位置探测器(X-ray Beam Position Monitor,XBPM)用于束线X光位置的测量,本文简述了该探测器在升级改造中对其数据采集设备更新的考虑,选用了新一代数字信号处理器Libera Photon,它的测量分辨率最高可达0.01μm;该电子学设备可实现快慢两种数据采集方式,其数据采样率分别为10 kHz和10 Hz,快信号能捕获2 ms的状态变化,可用于输出光斑的稳定反馈控制,慢信号可用做输出光斑的长期稳定性监测等。同时给出了使用该探测器所需修改的部分EPICS接口控制程序,以及Libera Photon在上海光源光束线站中的应用结果。

双压电片镜在同步辐射光源光学系统中的应用

介绍了双压电片镜自适应光学技术,同时为其在同步辐射光学领域中的应用与进一步发展提供前瞻性的思考与探索。根据目前已公开发表的相关文献资料,总结介绍了双压电片镜自适应光学技术,阐述了该技术的工作机理与关键参数,并对其在国际上具有代表性的同步辐射机构中的应用情况作出描述,并指出涉及的关键技术问题与未来的发展趋势:不仅要有效地解决"连接点效应"对双压电片镜技术的负面影响,还要实现亚微米乃至纳米级的聚焦光斑,这两项内容都是双压电片镜技术需要进一步解决的重要问题。未来,双压电片镜自适应光学技术可望在我国先进的第三代同步辐射装置—"上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility,SSRF)"二期工程建设中得到应用。

上海光源Canted光束线安全联锁系统设计

上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility,SSRF)光束线站安全联锁系统的目的是在光束线站运行期间,一旦出现紧急情况,安全联锁系统会及时关闭活动光子挡光器或通知储存环控制系统剔除电子束流,以保障实验人员的人身安全及光束线站的设备安全。在SSRF第一条Canted光束线安全联锁系统设计过程中,通过分析Canted光束线与常规插入件光束线在布局与安全联锁要求方面的区别,实现了Canted前端的设备联锁控制要求,并提出了利用束线仲裁信号实现两条光束线和谐相处的设计方法,最终完成了两条光束线的安全联锁系统的安装调试及其验收。Canted光束线安全联锁系统自2013年7月投入试运行以来运行正常,为光束线和实验站的正常调试提供了保障。

快淬Fe85Ga15薄带的微观结构和磁致伸缩性能研究

为研究Fe-Ga合金微结构对磁致伸缩效应的影响,测量了Fe85Ga15合金铸态和不同甩速下制备的薄带的相结构、局域结构和磁致伸缩性能。X射线衍射结果表明合金铸态保持无序的BCC结构,在甩带样品以及退火态样品中都探测到了修正的DO3相。X射线衍射和扩展X射线吸收精细结构谱的结果共同说明Ga原子沿着[100]方向次近邻分布。1000℃退火态样品中析出的少量DO3相使磁致伸缩系数降低。较大的甩速使得合金中产生较多的修正的DO3相,从而提高了样品的磁致伸缩系数。

螺旋线圈在同步辐射光源冷却系统中的应用

在冷却流体管道中插入铜质线圈的强化冷却方法可以较为显著地提高管道的对流换热系数,从而增强冷却效果,此法已在国际上的同步辐射光源中得以应用。根据现有相关文献,总结介绍了此种强化冷却方法,阐述该机构的关键结构参数与强化冷却工作机理,并对其在国际上各同步辐射光源的应用情况作出描述,同时指出关键技术问题与未来的发展趋势,从而为此强化冷却方法在我国同步辐射装置,特别是高能高热的第三代同步辐射装置冷却系统的应用提供前瞻与有益的探索。

上海光源红外光束线主动反馈控制器的设计

主动反馈控制器用来抑制外来机械振动对上海光源红外光束线稳定性的影响。介绍了控制器的设计背景、光路布局和工作原理,讨论了控制器中关键部件的探测器和执行器的选择方法,并给出了控制器的校正补偿电路图及最终的测试结果。校正补偿电路的设计是对被控制对象的测试和数学模型采用频率特性法而实现的,对时域阶跃响应、光源的模拟抖动测试及其相应的幅度频谱等进行了测试,结果表明该控制器的设计能够显著地抑制红外光束的光斑位置抖动,最大工作带宽250 Hz,最大稳态误差5μm。

上海光源储存环新注入方式

上海光源储存环的新工作模式和新装插入件会导致动力学孔径和注入效率的减小,传统的注入方式不再满足恒流注入要求。分别从改变注入方式和减小注入束流发射度两个角度解决注入对动力学孔径的需求。脉冲多极铁与凸轨相结合的注入方式可以将动力学孔径的要求降低到7 mm以下。利用斜四极铁在高能输运线上进行水平和垂直发射度互换可以将注入束流发射度降低到近1/10而降低注入点的束斑尺寸。两者都可以将注入效率提高到95%以上。二者在更小动力学孔径的情况下同时使用还可以减小脉冲多极铁的强度。

用同步辐射共聚焦X射线方法研究古代彩绘样品的层状结构

同步辐射共聚焦X射线方法是一种元素成分及其化学结构的三维无损分析方法,在地质、考古、环境、生物及材料等领域具有重要的应用。在上海光源的硬X射线微聚焦光束线站(BL15U)建立共聚焦X射线实验方法,并用于故宫彩绘样品的制作工艺及层状结构分析。基于BL15U的K-B聚焦系统,在能散探测器前采用会聚毛细管半透镜实现与K-B聚焦镜焦点的共聚焦状态,深度分辨在8.04 ke V(Cu-Kα)为31.5μm,可以开展共聚焦微束X射线荧光(Micro-X-ray Fluorescence,Micro-XRF)和共聚焦微束X射线吸收精细结构(Micro-X-ray Absorption Fine Structure,Micro-XAFS)实验研究。对故宫斗彩陶瓷和彩绘样品进行了元素及其化学态的深度分布分析,获得了斗彩陶瓷特有的三层釉结构以及彩绘样品内部颜料的化学信息。实验结果表明,该系统具有较高的空间分辨和探测灵敏度,是文物样品三维无损分析的有力工具。

同步辐射X射线衍射研究利蛇纹石的压缩性

采用金刚石对顶砧高压装置和同步辐射X射线衍射方法,在常温下对利蛇纹石的高压结构行为进行了研究。原位X射线衍射实验结果表明,利蛇纹石在压力高达31.9 GPa时没有发生相变。利蛇纹石的等温状态方程通过三阶Birch-Murnaghan方程进行表述,得到V0=353.2(7)3,K0=75(3)GPa,K0’=3.4(2)(北京同步辐射高压站实验结果)和V0=356.5(6)3,K0=69(3)GPa,K0’=3.1(3)(上海光源微聚焦站实验结果),两次实验结果基本吻合。利蛇纹石的轴压缩性呈现各向异性(Kc>Kb≈Ka),这与蛇纹石的层状结构有关,在垂直于结构层方向,结构层之间靠氢键来连接,易压缩,压缩系数较大;而在平行结构层方向,压缩系数较小。

上海光源BL19U-canted光束线布局及运行

上海光源在BL19U波荡器直线节首次建成了canted光束线。由于canted双线的水平夹角仅为6 mrad,在束线光学元件的空间布局上非常紧张。顺序错开放置、共用真空腔体以及采用偏转镜是canted光束线布局的主要方式。本文主要讨论了上海光源canted光束线在白光狭缝、单色器以及偏转镜等关键部件进行束线布局时的设计方案和指标。BL19U-canted光束线机械系统自2015年初开放运行以来,已经稳定运行超过6 000 h。

基于MATLAB的上海光源光束线运行状态分析与预警

随着上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility,SSRF)新建光束线站数量的增加,其运行状态的参数记录每年都在成倍地增长,光束线站建设之初实施的运行数据处理方法已不能满足用户不断增长的需求。为此,采用MATLAB连接光束线的Archive数据库,发展了一种新的光束线运行数据的处理方法,本文通过对两条光束线单色器温度信号的数据分析,说明了MATLAB神经网络可根据数据的变化情况给出相应信号的预警提示,利用MATLAB强大的数据功能,还可有效地提高光束线站设备运行数据的分析处理能力。

高能劳厄单色器晶体压弯性能的研究

上海光源二期工程拟建的超硬多功能线站将采用一台弧矢聚焦高能劳厄单色器,晶体压弯机构是单色器的核心部件,晶体弧矢半径与子午半径的优化对单色器的光通量和分辨率有很大影响。本文利用有限元软件分析了影响劳厄晶体压弯性能的主要因素——斜切晶体的各向异性以及晶体的长宽比。通过分析,确定了硅晶体切割边为[011]方向和[0-11]方向,晶体的优化尺寸为90 mm×40 mm×1 mm。硅晶体表面的弧矢和子午面形误差(均方根)分别为3.02μrad和1.25μrad,满足设计要求。

纳米CT样品漂移在线自动校正研究

为满足广大用户对样品数十纳米高空间分辨率三维精细结构测量的强烈需求,基于上海光源软X光谱学显微光束线站,研制了一套满足实验要求的常温纳米CT系统。系统中随着转台转动,样品出现严重漂移问题,极大地影响了CT实验的精度和效率。本文利用系统现有的可见光显微镜(VLM),记录样品转动过程中的漂移轨迹,计算出样品的漂移规律,用软件在线自动校正由角度转动而产生的样品漂移,实验结果表明样品漂移控制在1 m精度内,达到了实验要求5 m的精度范围,保证了纳米CT实验能够连续自动进行,大大提高了纳米CT的工作效率。

上海软X射线装置中纯永磁移相器的积分场垫补

X射线自由电子激光(Free-electron Laser,FEL)达到饱和功率输出时所需要的波荡器总长度为数十米甚至上百米,目前国内外研制的波荡器只能分段加工,且每段长度一般在5 m以内。为了保证两相邻波荡器间辐射光的相位相互匹配,通用的设计是在相邻波荡器之间增加移相器。移相器的加入不应对电子束流产生影响,其产生的磁场沿束流方向的一二次积分必须达到技术要求。由于移相器较短,二次积分较小,可不予考虑。在不考虑永磁块非线性的基础上,导出了纯永磁移相器的磁场一次积分以及调整移相器中某些磁化块的高度和倾斜角度产生的磁场一次积分变化量的解析表达式。利用这种方法对上海软X射线自由电子激光装置中的5台移相器做积分场垫补,使得每台移相器的磁场一次积分在好场区内都小于20 Gs·cm,满足工程设计要求。

钕铁硼低温永磁波荡器静态热负载研究

低温永磁波荡器(Cryogenic Permanent Magnet Undulator,CPMU)利用稀土永磁材料钕铁硼或镨铁硼在低温下的剩磁及内禀矫顽力大幅增大的特性,通过使磁体工作在50-150 K的低温环境,获得相比于常规真空内波荡器(In-vacuum Undulator,IVU)高30%-50%的磁场性能。在磁气隙一定的条件下,CPMU可以在较小的周期长度下获得较大的磁场强度,这对于提升同步辐射光的亮度具有重要意义。本文介绍了上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility,SSRF)钕铁硼CPMU磁体冷却技术的研究进展,对CPMU的静态热负载进行了详细的理论分析及实验研究。CPMU静态热负载的理论分析方法在CPMU样件低温冷却实验装置得到了验证,并在完整钕铁硼CPMU样机中得到了应用。

双光束白光干涉系统的理论模拟与实验研究

为了实现一般性样品的自由电子激光三维成像,搭建了一套用于上海软X射线自由电子激光装置的双光束单脉冲三维成像装置。计划利用可见光对该成像装置进行离线时空对准,利用自由电子激光对其进行在线时空对准。为了保证离线对准的顺利实现,需要搭建一套基于双光束白光干涉原理的离线对准系统。本文设计了一套双光束白光干涉系统,并结合波动光学原理和MATLAB软件对其进行了离线对准原理的理论模拟验证。随后搭建了该套系统,并成功对该系统进行了时空对准调试与验证,时间对准调节精度达48.1 fs。经简单改进后,该系统可作为自由电子激光三维成像装置的离线对准系统,用于其离线对准调节。

基于DCM的QXAFS数据采集与控制

快速扫描X射线精细结构谱(Quick-scanning X-ray Absorption Fine Structure,QXAFS)是测定特定吸收原子近邻环境结构的一个强有力的工具,已广泛应用在固体物理、催化剂和蛋白质分子等领域。双晶单色器(Double Crystal Monochromator,DCM)是上海光源XAFS光束线站的关键设备,它能够将一定波长范围内的白光单色化,并将单色光束稳定出射至下游光学元件。上海光源XAFS光束线站数据采集程序是在Lab VIEW环境下开发的,而其采用了步进电机的DCM控制系统则采用了基于分布式控制的实验物理及工业控制系统(Experimental Physics and Industrial Control System,EPICS)。由于运行环境不同,两者在装置联动时不可避免存在网络延时的缺陷并使得XAFS谱发生变形和不连续的问题。在EPICS环境下产生硬件触发信号并用其同步采集电离室和步进电机的信号,实现QXAFS数据的实时采集与控制。对标准铜箔样品进行了实验测试,结果表明该方法不仅可以保证系统获得较高的信噪比,而且可以在小于8 s的时间内获取一个完整的QXAFS谱,在小于500 ms时间内获得一个近边结构谱。该系统的实现对上海光源开展快速时间分辨的QXAFS实验具有重要的应用意义。

一种生物X射线小角散射光束线站自动换样溶液蠕动装置

利用同步辐射X射线小角散射技术可以研究溶液中蛋白质的结构信息。但是在实验过程中,高通量的X射线易造成蛋白质的辐射损伤,发生结构变化。本文介绍了一种自动换样溶液样品蠕动装置,在实验过程中利用Hamilton的PSD/4注射泵控制样品上下运动,减小单位体积照射时间以降低X射线对蛋白质的辐射损伤。此外,通过对注射泵、准直调节台和样品/缓冲液支撑台的协调控制实现了自动换样、回样和清洗功能,提高了实验效率。在上海光源生物X射线小角散射实验站进行了实验,通过对静止模式和蠕动模式下溶菌酶的散射曲线及回旋半径的测量,表明该装置可达到很好的防辐射损伤效果,实现了预期的样品蠕动装置功能。

低温环境下霍尔探头标定

利用高精度低温霍尔探头可以测量永磁体在低温环境下的磁性能,如何对高精度霍尔探头在低温环境下进行精确标定对于永磁体低温磁性能研究有着重要意义。上海光源磁测实验室在霍尔探头常温标定的基础上,利用小型制冷机把霍尔探头置于液氮温区,通过在制冷机冷头上安装精确控制的电加热器可调节测试温度(6.5-300 K),并实现恒温。初步标定实验结果表明,低温霍尔探头灵敏度随着温度的下降逐渐上升,在50 K以下趋于平缓,相比常温灵敏度增大约4%。标定后的该探头可以测量低温环境下永磁体的磁性能,并可满足永磁体在低温环境下的性能研究需求。

基于有限元的同步辐射单色器一晶安装力学分析

双晶单色器是同步辐射光源光束线上的关键设备之一,其通过内部的第一晶体与第二晶体获得实验所需的单一波长的谱线,故晶体的装配安装直接影响实验站同步辐射光的品质。通过实验测试结合有限元分析的方法,建立单色器第一晶体在一定的螺栓紧固力下的有限元分析模型,验证模型的有效性,进而分析晶体的面形精度、安装机构的应力分布、"O"圈的形变等指标,研究安装过程中一晶及其安装机构的受力情况与力学响应,为高面形精度晶体的安装提供指导与借鉴。