同步輻射束線工程中相關(guān)技術(shù)的研究.pdf

1、同步輻射憑借極其優(yōu)良的品質(zhì)成為當(dāng)今不可替代的最佳人工光源，自20世紀(jì)60年代以來(lái)，電子儲(chǔ)存環(huán)作為穩(wěn)定產(chǎn)生同步輻射的專用裝置，歷經(jīng)三個(gè)階段的發(fā)展，業(yè)已完善，并相繼建成了60多臺(tái)。它們棋布于世界各地，成為眾多研究領(lǐng)域的科學(xué)平臺(tái)，不斷產(chǎn)生出令人矚目的創(chuàng)新成果。近年來(lái)，第四代光源(X射線自由電子激光)的出現(xiàn)和發(fā)展，為人類探索各種瞬態(tài)和動(dòng)態(tài)物理過(guò)程，研究各種核反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)機(jī)理提供了嶄新的工具和平臺(tái)。光束線連接著同步輻射光源和實(shí)驗(yàn)站，是各類光學(xué)元

2、件經(jīng)優(yōu)化組合，線性排布于真空室內(nèi)，形成數(shù)十米甚至上百米長(zhǎng)的大型光學(xué)傳輸系統(tǒng)。它將光源發(fā)出的“白光”，加工成具有一定光譜能量、光子通量、能量分辨、偏振特性、束斑尺寸等要求的單色光，并安全、可靠、高效地傳輸?shù)綄?shí)驗(yàn)樣品上。隨著光源發(fā)射水平的日趨提高和各領(lǐng)域?qū)ο冗M(jìn)研究手段的不斷需求，以光學(xué)設(shè)計(jì)和元件研制為主體的光學(xué)束線技術(shù)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，逐漸形成了同步輻射光學(xué)獨(dú)特的理論體系與工程實(shí)踐，成為同步輻射應(yīng)用研究的重要內(nèi)容。本論文以作者2009-201

3、1年在我國(guó)國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室(NSRL)和2011-2014年在法國(guó)歐洲同步輻射實(shí)驗(yàn)室(ESRF)的工作為基礎(chǔ)，開展光源特性計(jì)算、前置鏡熱分析、束流位置探測(cè)器、多層膜的熱應(yīng)力等課題的研究。
　　在同步輻射電子儲(chǔ)存環(huán)上插入螺旋型波蕩器(Helical Undulator)，可獲得高通量、圓偏振相干光源。本文第二章以NSRL實(shí)驗(yàn)室引入的一臺(tái)周期數(shù)10、周期長(zhǎng)度250mm、磁極間距110mm的螺旋型電磁波蕩器為基礎(chǔ)，基于NSRL改造后的

4、光源參數(shù)，分析螺旋型電磁波蕩器的同步輻射偏振特點(diǎn)，計(jì)算波蕩器的輻射功率和功率密度分布、光束線前置環(huán)面鏡的熱載、溫度場(chǎng)及由此產(chǎn)生的光學(xué)表面面型誤差，為光束線工程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
　　同步輻射束流位置探測(cè)器(BPM)旨在測(cè)量與標(biāo)定同步輻射光軸坐標(biāo)，監(jiān)測(cè)束流位置穩(wěn)定性，為束線上光學(xué)元件安裝建立準(zhǔn)直標(biāo)靶，為儲(chǔ)存環(huán)電子束團(tuán)動(dòng)態(tài)軌道矯正提供反饋信息，廣泛用于同步輻射光學(xué)中。本文第三章基于NSRL低能量真空紫外光源特點(diǎn)，研制了耦合式刀片低能束

5、流位置探測(cè)器，用于在線監(jiān)測(cè)由波蕩器輻射出的低能量真空紫外相干光源的穩(wěn)定性。探測(cè)器采用V型耦合式刀片作為探針，賦以錯(cuò)位安裝、傾斜嵌入被測(cè)光束邊緣和直流偏壓捕集自由電子等技術(shù)，有效增強(qiáng)光電效應(yīng)，提高探針的響應(yīng)靈敏度和探測(cè)器監(jiān)測(cè)精度。本章介紹了耦合式刀片低能束流位置探測(cè)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、探測(cè)原理和性能測(cè)試，在線監(jiān)測(cè)了NSRL波蕩器光源的穩(wěn)定性，獲得了一系列有價(jià)值的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明:該探測(cè)器完全能勝任NSRL-0.8GeV低能儲(chǔ)存環(huán)上插入件光源的

6、在線監(jiān)測(cè)，滿足在改造后的新光源上由波蕩器引出的各束線位置穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)要求。
　　伴隨著高能光源上輻射功率的提升，光學(xué)元件的熱載問題也越發(fā)突出，尤其是第三代光源以后，“白光”光學(xué)元件的熱變形一定程度上決定了光束線的傳輸效率。液氮冷卻等熱緩釋處理方法可有效降低光學(xué)元件的熱變形，相關(guān)問題已經(jīng)研究多年，并成為同步輻射光學(xué)的一項(xiàng)特殊技術(shù)。多層膜光學(xué)元件憑借其諸多優(yōu)越特性，包括中等的能量分辨率、較大的掠入射角、濾波結(jié)構(gòu)、參數(shù)可控等，成為同步輻射

7、光學(xué)中最重要的光學(xué)元件之一。近年來(lái)，多層膜作為光束線“白光”反射鏡或單色器的需求越發(fā)強(qiáng)烈，但是，除了元件表面的熱變形外，多層膜元件由于膜層材料和基底材料的熱膨脹系數(shù)不同（熱不耦合），元件溫度變化時(shí)，膜層中會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的熱應(yīng)力。熱應(yīng)力一方面造成元件表面的形變，另一方面造成膜層破裂、元件損傷甚至失效。多層膜光學(xué)元件的熱應(yīng)力問題成為多層膜元件應(yīng)用于同步輻射“白光”的重要研究課題。本文第四章利用ANSYS有限元分析軟件內(nèi)的膜功能組合單元，分別建立