变间距光栅单色仪、光谱仪在XFEL中的相关研究与应用

发布时间：2020-04-03 18:17

【摘要】：x射线的发现与使用,不仅仅对物理学具有划时代的意义,同样也推动了包括化学、生命科学、材料学、核能、医学在内诸多学科的发展。同步辐射X射线光源从上世纪寄生于高能物理的加速器第一代发展至今,已经拥有50余座装置建成,在材料微观结构与动力学、生物蛋白动力学等研究中取得了许多开创性成果。x射线自由电子激光(XFEL)是高品质相对论性电子束在周期性磁场作用下自激辐射放大产生的强相干脉冲X射线,与传统的x射线源(实验室X光机、激光驱动X射线源、同步辐射X射线光源)相比,XFEL同时具有强全相干性(横向完全相干,纵向部分相干)、超高亮度(峰值亮度比同步辐射X射线光源高10个量级)、超短脉冲宽度(数十飞秒至数百飞秒)、超高准直性和优越的光源单色性(能量分辨率10-3)等特点,能够以前所未有的时间和空间分辨能力探索材料内部的微观、介观尺度的结构演化信息。XFEL的发展为物理、化学、材料科学、生命科学、能源科学、环境科学、信息产业等众多基础学科和应用领域,以及相关工程技术的创新突破提供了开辟性的手段和机遇,为国家安全重大领域的关键科学问题的探索和解决提供了无语伦比的研究平台。犹如可见激光改变了 20世纪科学与技术的发展模式,XFEL预示着21世纪人类进入到新的超快X射线科学领域,必将开辟新的科学前沿,甚至引发新的科技革命或产业革命。在X射线自由电子激光装置中,无论是光束线还是实验站,光栅单色仪和光谱仪都是核心设备系统,其性能优劣直接影响整个装置的性能和实验的成败。因此,研究光栅单色仪和光谱仪的性能及其影响因素并进行系统优化设计,是XFEL建设中的重要课题之一。本论文首先介绍X射线光源的发展现状,然后重点介绍XFEL光束线和实验站中变间距光栅单色仪和光谱仪的关键技术研究、系统设计和安装调试方法以及取得的主要成果。1.针对软X射线自由电子激光装置,建立了变间距光栅单色仪物理模型,系统地研究了光栅参数和成像像差等因素对单色仪的分辨率、时间展宽及光子输出铜梁等重要参数的影响;并通过数字模拟仿真,优化了光栅单色仪的设计参数,提高了性能指标,达到了装置可进行Pink beam模式输出、光谱能量分辨率高于5000、脉冲宽度展宽小于100fs的技术要求。2.开展了共振非弹性X射线散射(RIXS)光谱仪的关键技术和系统结构研究,根据RIXS光谱仪需要保持高真空环境和精密的装调要求,提出了高真空环境下非接触测量光学元件倾斜度的新方法。通过对RIXS工作原理和光路结构的研究,建立了使用可见激光进行光学元件倾斜度测量的方法:通过测量掠过光学元件表面激光光斑和经光学元件表面反射激光光斑的间距,来计算光学元件的倾斜角。并成功将此方法应用于XFEL光束线系统研制和调试。3.提出了 RIXS光谱仪标定的实验方案,设计了高精度微纳结构狭缝和实验样品,成功对RIXS光谱仪进行了能量标定,为RIXS在PAL-XFEL光束线与实验站的应用奠定了基础。此外在XFEL不能到达实验站时,使用E-gun(电子枪)照射不同样品材料,使用XES特征峰对RIXS光谱仪进行调试,并利用设备辅助其他设备进行样品表面微量物质的综合实验。
【图文】：

射线自一个多世纪前发现以来，一直在科学研宄领域扮演着重要的的每一次进步，都将带来全新的科学诊断技术的革命，将人类对自。与此同时，这样的进步在一定程度上，对工程领域提出了更高的ＥＬ为代表的第四代光源的出现，对光束线设备的性能要求已经到了从Ｘ射线与Ｘ射线装置的发展历程出发，重点描述ＸＦＥＬ装置所程学难题，从而明确论文主要研宄工作的科学意义。逡逑射线与Ｘ射线装置逡逑射线自１９世纪末，由Ｗｉｌｈｅｌｍ邋Ｒ６ｎｔｇｅｎ邋（威廉？康拉德？伦琴）首线以来，因为其“穿透性”而被广泛应用于科学探测的各个领域。Ｘ拒绝以其名字命名这一射线，而坚持使用“Ｘ射线”这一名称。尽绝了贵族称号，不申请专利也不谋求赞助，世人仍然对他给出了极高一届诺贝尔物理学奖、以他命名的奖学金、以他命名的Ｘ射线天文，

本文编号：2613541