同步辐射束线工程中相关技术的研究

摘要

同步辐射凭借极其优良的品质成为当今不可替代的最佳人工光源，自20世纪60年代以来，电子储存环作为稳定产生同步辐射的专用装置，历经三个阶段的发展，业已完善，并相继建成了60多台。它们棋布于世界各地，成为众多研究领域的科学平台，不断产生出令人瞩目的创新成果。近年来，第四代光源(X射线自由电子激光)的出现和发展，为人类探索各种瞬态和动态物理过程，研究各种核反应和化学反应机理提供了崭新的工具和平台。光束线连接着同步辐射光源和实验站，是各类光学元件经优化组合，线性排布于真空室内，形成数十米甚至上百米长的大型光学传输系统。它将光源发出的“白光”，加工成具有一定光谱能量、光子通量、能量分辨、偏振特性、束斑尺寸等要求的单色光，并安全、可靠、高效地传输到实验样品上。随着光源发射水平的日趋提高和各领域对先进研究手段的不断需求，以光学设计和元件研制为主体的光学束线技术得到了长足发展，逐渐形成了同步辐射光学独特的理论体系与工程实践，成为同步辐射应用研究的重要内容。本论文以作者2009-2011年在我国国家同步辐射实验室(NSRL)和2011-2014年在法国欧洲同步辐射实验室(ESRF)的工作为基础，开展光源特性计算、前置镜热分析、束流位置探测器、多层膜的热应力等课题的研究。
　　在同步辐射电子储存环上插入螺旋型波荡器(Helical Undulator)，可获得高通量、圆偏振相干光源。本文第二章以NSRL实验室引入的一台周期数10、周期长度250mm、磁极间距110mm的螺旋型电磁波荡器为基础，基于NSRL改造后的光源参数，分析螺旋型电磁波荡器的同步辐射偏振特点，计算波荡器的辐射功率和功率密度分布、光束线前置环面镜的热载、温度场及由此产生的光学表面面型误差，为光束线工程设计提供理论依据。
　　同步辐射束流位置探测器(BPM)旨在测量与标定同步辐射光轴坐标，监测束流位置稳定性，为束线上光学元件安装建立准直标靶，为储存环电子束团动态轨道矫正提供反馈信息，广泛用于同步辐射光学中。本文第三章基于NSRL低能量真空紫外光源特点，研制了耦合式刀片低能束流位置探测器，用于在线监测由波荡器辐射出的低能量真空紫外相干光源的稳定性。探测器采用V型耦合式刀片作为探针，赋以错位安装、倾斜嵌入被测光束边缘和直流偏压捕集自由电子等技术，有效增强光电效应，提高探针的响应灵敏度和探测器监测精度。本章介绍了耦合式刀片低能束流位置探测器的结构特点、探测原理和性能测试，在线监测了NSRL波荡器光源的稳定性，获得了一系列有价值的试验数据，结果表明:该探测器完全能胜任NSRL-0.8GeV低能储存环上插入件光源的在线监测，满足在改造后的新光源上由波荡器引出的各束线位置稳定性监测要求。
　　伴随着高能光源上辐射功率的提升，光学元件的热载问题也越发突出，尤其是第三代光源以后，“白光”光学元件的热变形一定程度上决定了光束线的传输效率。液氮冷却等热缓释处理方法可有效降低光学元件的热变形，相关问题已经研究多年，并成为同步辐射光学的一项特殊技术。多层膜光学元件凭借其诸多优越特性，包括中等的能量分辨率、较大的掠入射角、滤波结构、参数可控等，成为同步辐射光学中最重要的光学元件之一。近年来，多层膜作为光束线“白光”反射镜或单色器的需求越发强烈，但是，除了元件表面的热变形外，多层膜元件由于膜层材料和基底材料的热膨胀系数不同（热不耦合），元件温度变化时，膜层中会产生相应的热应力。热应力一方面造成元件表面的形变，另一方面造成膜层破裂、元件损伤甚至失效。多层膜光学元件的热应力问题成为多层膜元件应用于同步辐射“白光”的重要研究课题。本文第四章利用ANSYS有限元分析软件内的膜功能组合单元，分别建立了多层膜元件的热学和力学分析模型以及两种模型之间的耦合方法。并分析了单层膜反射镜和多层膜单色器两种典型的光学元件在同步辐射“白光”照射下，水冷却和液氮冷却两种冷却条件下的表现特征。最后，实验测量了薄膜材料的材料属性，以更加准确的模拟元件的特性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 同步辐射光源及其主要特性

1．1．1 同步辐射的发展和现状

1．1．2 四代光源

1．2 同步辐射光束线技术

1．2．1 光学元件的热载问题与热缓释处理

1．2．2 多层膜技术

1．2．3 X射线聚焦技术

1．2．4 弧矢聚焦晶体单色器技术

参考文献

第2章 螺旋型波荡器的光源特性及其光束线前置镜热分析

2．1 简介

2．2 螺旋型波荡器的光源特性

2．3 光束线前置聚焦镜热分析

参考文献

第3章 耦合式刀片束流位置探测器研制与性能检测

3．1 简介

3．2 结构特点与监测原理

3．3 性能试验与在线监测

参考文献

第4章 多层膜光学元件的热分析

4．1 简介

4．2 多层膜元件的热力学有限元分析模型

4．2．1 多层膜元件的热学分析模型

4．2．2 多层膜元件的力学分析模型

4．3 多层膜元件的热力学分析

4．3．1 单层膜反射镜的热力学分析

4．3．2 多层膜单色器的热力学分析

4．4 薄膜材料的材料属性测量

4．4．1 实验原理

4．4．2 实验过程

4．4．3 实验结果

参考文献

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

附录

致谢

在读期间取得的主要研究成果