美国先进光子源APS

2019年10月10日21:48:18美国先进光子源APS已关闭评论 60 views

美国阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory,简称ANL)的先进光子源APS(Advanced Photon Source)为几乎所有学科的研究提供美国(事实上是本半球的)亮度最高的储存环产生的X射线束流。

 

美国先进光子源APS

先进光子源APS

 

APS的X射线可使科学家们获得对地球中心和外空间以及各点之间材料的结构和功能的新知识。这项研究所获得的知识可能会影响内燃机和微电路的发展,协助开发新药和尺度在十亿分之一米的开创性的纳米技术等。这些研究会深远地影响美国的技术、经济、健康以及人类对构成世界的材料的基本了解。

APS的电子加速器和存储系统是产生高能量可用于前沿研究的X射线的首要关键。APS的5个主要组成部分为:直线加速器、增强器、电子储存环、插入设备和实验大厅。

 

美国先进光子源APS

APS组成部分示意图

 

1、直线加速器

APS产生高亮度X射线光束始于加热至〜1100 °C的阴极发射电子。直线加速器中的高压交变电场加速电子。电场选择性的相位调整将电子加速到450 MeV。在450 MeV,电子以接近光速的速度运行(大于99.999%光速),即299792458米/秒(18.6万英里/秒)。

 

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APS直线加速器和它在APS的位置

 

2、增强器同步加速器

电子注入到一个跑道形的电磁铁环,即增强器同步加速器中,在半秒内从450 MeV被加速到7 GeV(相比之下,照亮电视屏幕的电子束仅有25000电子伏特)。电子在以大于光速99.999999%的速度运行。加速力由四个高频腔中的电场提供。为了维持电子的轨道路径,弯转和聚焦磁铁与高频场同步提供电子的磁场强度。

 

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增强器同步加速器和它在APS的位置

 

3、电子储存环

7 GeV的电子注入到1104米周长的储存环-一个超过1000块磁铁及相关设备的圆形物,位于防辐射混凝土外壳内部的实验大厅内。强大的磁场将电子聚焦成一个狭窄的光束,当该光束在通过磁铁中心的铝合金真空盒中沿轨道运行时,在圆形轨道被弯转。

 

美国先进光子源APS

电子储存环和它在APS中的位置

 

在APS储存环中,磁铁的先后顺序或磁铁聚焦机构产生一个非常小尺寸和低角误差、质量备受同步辐射光源用户称赞的光束。磁铁聚焦结构也导致在储存环中形成40个直线节。其中五个直线节用于束流注入和高频设备,其余35个直线节可装备仪器,为西半球提供最亮的X射线辐射源。

 

4、插入设备和亮度

为插入设备而优化的同步储存环被称为“第三代”光源。有些装置,如在加利福尼亚州的先进光源和法国的SuperACO,提供在光谱紫外线/软X射线一部分的辐射。7 GeV的APS和它的姊妹装置–建在法国的6 GeV的欧洲同步辐射装置(ESRF)和日本8 GeV的超级光子环(SPring-8),因更高的机器能量可以产生软X射线到硬X射线(穿透力更强)。

 

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插入装置

 

5、实验大厅和光束线

APS储存环和实验大厅之间的棘轮状辐射屏蔽墙充当分界线。在实验大厅的地面上标有35个扇区。每个扇区包括至少两个X射线光束线,一个来源于储存环磁铁聚焦结构中的一块弯转磁铁处,另一个在插入设备处。所有APS扇区装备和运行后,实际上,APS在一个屋檐下有35个分散的实验室。要了解更多关于APS光束线的信息,包括图和详细说明,可在ANL网页的Find a Beamline(查找光束线)上获得。

 

美国先进光子源APS

APS光束线示意图

美国先进光子源APS

实验设备安装前的实验大厅(左)和装备仪器的扇区(右)

 

圆形的APS实验大厅是科学家们组装实验仪器和进行研究的地方。大厅被设计成一个封闭的周长1104米的光学试验台。大厅地板由一英尺厚的浇注混凝土组成。浇注混凝土施工中常见的做法是在混凝土路面进行均匀切割,形成独立自由移动的单独部分,减轻裂缝。APS实验大厅的地板没有切割,形成一个坚实的和统一的混凝土路面,如照片(左)所示。

稳固的实验大厅地板对APS的用户大有裨益,他们必须把实验设备调整到亚微米的公差。对地板的定期测量显示,在某些区域地板最多移动了6毫米(在其他区域少于6毫米),现在每年以0.2毫米的比例移动。这一数字包括收缩、沉降,和随着时间的推移混凝土所经历的短暂变化。

 

6、实验室/办公室区域和光束线

在设计实验大厅中,APS受益于曾在其他同步辐射装置进行实验的研究人员的经验。一个教训是需要有足够的用户实验室和办公室场地。APS用户组织选择了实验室/办公室区域(LOMs),而且他们的要求很明确,即区域尽可能地靠近光束线的位置。正如下图所示,LOMs靠近实验大厅,距每个光束线仅几步之遥。

 

美国先进光子源APS

 

用户光束线包括晶体和/或反射镜光学器件,它们是为适应用于特定类型实验的光子束而定制的。这些光学器件从由插入设备束流携带的能量(或波长)的每百万中选择约一部分,并将这部分能量通过光束线向下传送到一个铅防辐射实验站,该实验站有进行研究的样品;可能需要进行分析和表征散射、吸收或成像过程的额外的光学器件;以及收集从X射线束与样品相互作用产生数据的探测器。

 

中国科学院大科学装置办公室

资料来自http://www.anl.gov/

weinxin
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