上海光源诊断线站升级中的若干关键技术研究

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1、博士学位论文上海光源诊断线站升级中的若干关键技术研究作者姓名：高波指导教师:冷用斌研究员中国科学院上海应用物理研究所学位类别:工学博士学科专业:核技术及应用研究所:中国科学院上海应用物理研究所2018年6月StudyonseveralkeytechniquesinupgradingofthediagnosticbeamlineatShanghaiSynchrotronraditionfacilityAdissertationsubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesinpartialfulfillmentof

2、therequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyinNucleartechnologyandapplicationByGaoBoSupervisor:ProfessorLengYongbinShanghaiInstituteofAppliedPhysicsChineseAcademyofSciencesJune,2018摘要摘要同步光诊断是利用同步光来测量束流的横向和纵向束流参数的一种关键手段，同步光诊断的方法对运动着的电子束无任何阻拦，能准确、真实地反映束团中的电荷三维空间分布。同步光诊断已经成为了研究束流纵向和横

3、向不稳定以及相干振荡的有力手段。上海同步辐射光源在一期工程中建有两条同步光诊断线站，一条为X射线波段，一条为可见光波段。其中X射线诊断线站搭建有小孔相机系统来进行束流横向截面尺寸和束流发射度等参数的测量。可见光诊断线站包括五个子测量系统构成：采用条纹相机进行束团长度以及纵向不稳定性的测量；采用水平垂直方向两套空间干涉仪系统分别测量束团水平和垂直的横向截面尺寸和不稳定性；可见光直接对光源点进行聚焦成像的方法对束团位置进行精确测量，以及截面形状的在线观测。目前两条同步光诊断线站运行良好，成为了光源运行过程中不可或缺的束流诊断工具，但是现有诊断方法还存在一些可以升级

4、优化的空间。X射线小孔相机的性能由点扩散函数测量精度决定，现有的点扩散函数标定方法需要在特定的机器研究时间完成；同时光源二期建设会增加一条新的X射线诊断线，需要结合现有线站的优缺点以及国际上发展的一些新的测量方法进行方案设计；可见光引出镜镜面形变一直是这种诊断方法的共性问题，上海光源目前建立了标定靶对镜面形变进行测量，但是这种方法会拦截同步光，启用过程中后续测量系统无法使用；空间干涉仪目前采用常用的固定狭缝间距测量，在束斑尺寸变化不大的测量中精度较好，对于不同的束斑尺寸来说分辨率会产生变化，尤其在极小光斑尺寸测量中会引入较大的误差；在对高速截面测量需求越来越大

5、的背景下，空间干涉仪目前的2Hz数据刷新率已无法满足需求。本文在这样的背景下选择对上海光源升级改造中的一些关键技术的研究和讨论作为了课题的主要研究内容。X射线小孔相机的分辨率主要由整个系统产生的点扩散函数决定，成像光斑是由光源点光斑与点扩散函数卷积得到。现有的点扩散函数标定方法需要在特定的机器研究时间才能进行。在升级改造中，本文提出结合X射线单色器的标定方法，假设光源点束斑尺寸为常量，通过选取不同波长的X光进行成像并记录成像结果，利用多方程求近似解的方法可以解出小孔相机系统的点扩散函数。同时，X射线单色器的使用可以为X射I上海光源同步光诊断线站升级中的若干关键

6、技术研究线组合折射透镜方法打好基础，为二期新建的X射线诊断线站提供新的选择方案。可见光诊断线站需要通过第一面反射镜将同步光的可见光波段反射引出，但是集中在垂直方向中心位置的高能X射线直接照射在反射镜镜面会使得镜面产生热形变，直接影响后续系统的测量结果。本文将介绍自适应光学系统对镜面热形变进行修正的方法，在光路末端搭建Shark-Hartmann波前传感器测量到达传感器的波前畸变，配合可变形镜面对畸变进行修正。现有空间干涉仪选择固定狭缝间距测量单一空间频率下的空间相干度然后计算束斑尺寸，但是这种方法存在一定的统计误差和拟合过程中引入的残差比较大，而且在光斑尺寸变

7、化较大时，分辨率也会降低。多狭缝间距测量则可以弥补这些限制，但是多点测量的方法受制于其速度的问题在测量过程中并不常用。本文提出了一种快速改变狭缝间距测量横向截面尺寸的方法。同步光诊断另一个发展方向为快速测量，目前像英国的Diamond光源、美国康奈尔大学、日本高能加速器研究所（KEK）在X射线波段采用了编码小孔阵列配合高速光电转换设备进行数据采集实现高速测量。国内的合肥光源和上海光源都在可见光波段采用可见光直接聚焦成像的方法配合光电倍增管及数据采集卡进行逐圈和逐束团的高速测量。但是可见光聚焦成像由于衍射等原因，点扩散函数较大，对于极小发射度的精确测量不太适合，

8、仅可用于相对测量。而X射线波段的测量对