基于EPICS的SHINE束线站定时设备控制系统

上海硬X射线自由激光装置（Shanghai High Repetition rate XFEL and Extreme light facility,SHINE）整体采用基于白兔协议（White Rabbit,WR）技术的定时系统。束线站定时系统接收外部参考信号,并通过定时主节点、WR交换机和从节点等WR设备将定时信号分发到各光束线和实验站。定时设备控制系统基于简单网络管理协议（Simple Network Management Protocol,SNMP）与实验物理与工业控制系统（Experiment Physics and Industrial Control System,EPICS）开发,可远程监测和控制分布式定时设备。该系统获取定时设备硬件相关参数,通过EPICS IOC(Input/Output Controller)保存至内存数据库。定时系统参数可以通过PyDM(Python Display Manager)编写的用户界面查看,并可在Archiver Appliance中存档与检索。通过测试证明此控制系统能够实时监测设备参数,并能远程控制信号时延及脉宽等,满足SHINE光...     

用于自由电子激光装置的丝扫描束流横向截面测量系统原型机

基于丝扫描系统的束流横向截面测量为半阻拦式的测量方法,相比于截面靶测量对束流影响较小。上海高重复频率硬X射线自由电子激光装置(SHINE)束团截面在线测量系统计划采用丝扫描技术实现,为此设计研制了由丝靶探头、机械运动机构、束损探测器、电子学系统构成的丝扫描束流横向截面测量系统原型机。本文介绍了该原型机的工作原理、具体设计及在丝扫描探头上游安装腔式束流位置测量(CBPM)系统进行束流中心位置和束团电荷量精确补偿的优化方案。为精确评估该样机系统性能,在上海软X射线自由电子激光(SXFEL)中相邻位置布局了丝扫描探头和YAG靶截面探头,通过同时测量并对比同样束流截面的方法,对丝扫描系统原型机性能进行了束流实验评估。束流实验结果表明,在束团电荷量500 pC、电子能量0.84 GeV的条件下,丝扫描技术可用于电子束团的在线半阻拦式截面测量,测量不确定度好于30μm,测量结果与SXFEL装置标配的YAG靶截面靶测量系统结果一致。     

上海光源X射线小角散射光束线站的概念设计

设计了光子能量范围为5-20 keV、能量分辨率好于1×10-3、光子通量高于1×1011 s-1的同步辐射小角散射光束线站.采用弧矢聚焦单色仪对同步辐射白光进行单色化,并对单色光束进行水平方向聚焦;探测器与样品之间的距离可调以得到不同的小角分辨尺度;配置温度可调和压强可调的样品池用于时间分辨实验,而配置的快门系统可使时间分辨达到毫秒量级.     

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2 000 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...     

基于示波器嵌入式IOC技术的逐束团位置监测系统研制

为研究尾场引起的束团不稳定性,本工作开发了基于高速宽带示波器嵌入式IOC的逐束团位置测量系统。该系统通过直接获取加速器储存环中钮扣型电极的原始束流信号,进行在线计算独立的水平和垂直方向的逐束团位置。介绍了此系统的需求分析、硬件结构以及嵌入式IOC软件结构。利用在上海光源储存环上获取的逐束团位置数据,对系统性能进行了评估。实验显示,不同束团感应到的工作点及横向振荡振幅与束团编号间的依赖关系,结果证明该系统是一个有效的机器研究工具。     

基于束流环形高斯模型对上海硬X射线自由电子激光装置的束流刮束器进行活化分析

在建的上海硬X射线自由电子激光装置(Shanghai HIgh repetition rate XFEL aNd Extreme light facility,SHINE)的加速器隧道内,采用束流刮束器刮掉束晕外围张角比较大的电子,刮束器的束流损失率为0.1‰。本文采用蒙特卡洛程序FLUKA,用SOURCE程序实现电子束在3σ_beam外的高斯分布,以尽量真实模拟电子在束流刮束器处的丢失情况,解决了低功率刮束情况下蒙特卡洛模拟无统计性结果的难题。利用束流环形高斯模型对刮束器的活化进行了分析,结果表明环形高斯模型可以更真实地再现电子在束流刮束器的丢失情况;5年运行后距刮束器30 cm处的剩余剂量率达到了数百μSv/h至数mSv/h,和国外类似装置计算结果相当;通过对放射性核素的种类分析,结果证明刮束器(钨)的放射性废物处置难度不大。     

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±800 μm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。     

SXFEL装置上速调管输入输出特性曲线的线性化

在上海软X射线自由电子激光(Soft X-ray Free-electron Laser,SXFEL)中的微波低电平控制系统中,通过对各速调管的输出信号进行测量和控制,保证加速器的稳定运行并且达到技术指标。另一方面,SXFEL中的脉冲速调管的输入输出特性存在非线性的关系,这种电子管放大器不理想的非线性特性会导致微波低电平(Low Level Radio Frequency,LLRF)控制系统调节的效率降低。基于SXFEL装置,采用基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的数字预失真方法,在LLRF控制系统中设计了一套实现高功率速调管放大器线性化的在线系统。S波段加速装置和其相应的东芝E3730A速调管及高压调制器和低电平系统实地测试结果表明,在LLRF控制系统中建立的在线系统能够有效补偿速调管带来的非线性问题,提高微波低电平控制系统的精度及准确性。     

1.3 GHz连续波超导射频腔的数字低电平系统和模拟腔研究

上海高重复频率硬X射线自由电子激光装置的超导射频(Radio Frequency,RF)腔需要高精度射频低电平(Low Level Radio Frequency,LLRF)系统,以稳定腔场的幅度和相位.但是,由于1.3 GHz连续波超导射频腔的高负载品质因数,腔体在电磁频域中的带宽较小.在加速器老练或重启过程中,超导...     

面形误差对自由电子激光聚焦光斑影响的研究

正在建设中的上海软X射线自由电子激光(Self-amplified Spontaneous Emission,SASE)光束线—活细胞成像光束线,能量范围100～1 000 eV,束线主要设备包括前端区、插入件、偏转平面镜PM1、诊断光栅PM2、单色器、压弯镜、KB镜(Kirkpatrick-Baez)和椭球镜等。分为两条支线,其中北支线的KB镜组由一个平面镜和两个椭圆柱面镜构成,主要应用于生物细胞成像实验站。实际光学元件在加工过程中会存在一定的面形误差,面形误差是衡量光学元件表面质量的重要指标。自由电子激光光束线系统中,要求镜子表面具有高精度和高可靠度,镜子的面形和高度误差相关联,会影响光束的相干性和波前,进而影响最终的光斑。为了准确研究面形误差对X光经过光束线传播后相干性和波前变化的影响,使用软件SHADOW和SRW对北支线X光的传播进行模拟。模拟结果表明:平面镜面形误差控制在0.1～0.2μrad,同时椭圆柱面镜控制在0.4μrad以内,聚焦光斑尺寸在4μm以内,可满足生物成像实验站成像需求。该结果为软X射线自由电子激光的优化设计提供了参考和依据。     

基于EPICS的硬X微聚焦实验站数据采集系统

上海光源(SSRF)硬X射线微聚焦实验站在EPICS(Experimental Physics and Industrial Control System)软件环境下建立的控制和数据采集系统已成功用于微束X射线荧光分析、微束透射X射线吸收精细结构(XAFS)和微束荧光XAFS等实验.使用和测试结果表明:该系统用户界面简捷、控制及数据采集的功能完整、可靠性高、能极大提高实验效率.     

超短脉冲激光与固体靶相互作用的硬X射线能谱

本实验使用高纯锗探测器，运用单光子法，对超短脉冲激光与固体铜靶相互作用产生的硬X射线能谱进行测量。实验结果表明：在激光强度I≈8×10¹⁶W/cm²的P极化光以45°入射角照射5 mm铜靶、探测立体角为4.5×10^－6的实验条件下，产生的硬X射线的能量主要集中在低于100keV能量范围内，超热电子温度分别为(7.4±0.7)keV和(19.5±1.6)keV。     

基于全装置蒙特卡罗模拟的超短超强激光装置光子剂量研究

为了准确评估激光装置靶室内、外的周围剂量当量分布情况,进一步验证剂量评估模型的合理性,利用蒙特卡罗程序FLUKA对激光靶室进行了全建模,基于现有电子源项理论模型以及XG-Ⅲ激光装置典型实验条件对靶室内外剂量情况进行了计算分析。为了更准确地测量光子周围剂量当量,需要对光子剂量测量组件进行设计,对不同能量区间电子对测量元件的总剂量贡献进行了模拟分析,在此基础上针对0～15 MeV区间电子的屏蔽进行了优化设计,最后对光子剂量测量组件的效果进行了模拟计算,并进行了设计优化。模拟结果表明靶室内、外电子周围剂量当量均高于光子剂量当量。激光靶室主观察窗内、外的电子与光子剂量水平相差约1个量级。相较于无屏蔽情况下,优化后的测量组件使电子剂量水平下降了99.7%,光子剂量水平仅衰减了30.9%,电子与光子的剂量比值约为0.12,总光子剂量中有5%是高能电子在PMMA中发生轫致辐射所贡献。模拟结果表明：经过对测量结果的合理修正,该组件可适用于强激光装置中靶室内的光子剂量测量。     

基于脉冲功率装置的圆柱腔体系统电磁脉冲研究

通过在中国工程物理研究院流体物理研究所的脉冲功率装置上开展圆柱腔体X射线辐照实验,研究了腔体系统电磁脉冲（腔体SGEMP）效应。应用一种网拍天线进行了圆柱腔体中电场的测量。此外,通过时域有限差分（FDTD）和粒子模拟（PIC）的数值方法,进行了腔体内电磁场的计算。研究发现,腔体内的气体会显著降低电场强度,而电场强度也会随剂量率的增加而增加。     

Lattice design and optimization of the SSRF storage ring with super-bends

In the near future,the Phase-Ⅱ beamline project of Shanghai Synchrotron Radiation Facility(SSRF)will be implemented and some dipoles in the storage ring will be replaced by high field dipoles(super-bend),so as to leave room for short straight sections.In this way,the brightness of the hard x-ray emitted from the super-bends can be enhanced,and more insertion devices can be installed.In this paper,super-bends of two lengths are discussed and the corresponding lattices are presented.     

中能X射线自由电子激光SASE脉冲在Cr/B4C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/B4C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GEN...     

基于EPICS的X射线小角散射实验站控制和数据采集系统

上海光源（Shanghai Synchrotron Radiation Facility, SSRF）X射线小角散射（small angle X-ray scattering, SAXS）光束线站的常规样品台、掠入射样品台、变温热台的控制程序及数据采集程序均是在LabVIEW环境下开发的,而基于步进电机的狭缝控制系统等则是在分布式控制的EPICS (Experimental Physics and Industrial Control System)环境下开发的。由于开发和运行环境不同,这些设备在联动控制时不可避免地存在网络延时的缺陷。本工作在EPICS环境下对运动控制、探测器数据采集和光强检测等控制进行集成,形成了统一的用户操作界面,操作简单,能极大提高实验效率,并在SAXS实验站得到了稳定应用。     

用于HL-2A装置的新型硬X射线探测器

介绍了一种应用于托卡马克等离子诊断领域的新型硬X射线探测器,该探测器主要由硅酸钇镥(Lutetium-yttrium Oxyorthosilicate,LYSO)闪烁体和硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier,Si PM)组成。基于项目应用需求,对探测器的选型和基于粒子输运蒙特卡罗仿真软件GEANT4的探测器设计加以阐述,并搭建了前端的探测系统,在HL-2A托卡马克装置上进行了现场诊断实验。实现了硬X射线空间能谱和辐射强度分布的诊断测量。实验表明该探测器阵列具有10 ms的时间分辨率,同时具有结构紧凑、使用方便等特点,能够满足等离子体诊断中硬X射线动态能谱和强度分布测量的诊断需求。