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五年战略规划 - 先进光源
先进光源 (ALS) 是一个基于电子储存环的同步辐射设施，由美国能源部基础能源科学计划 (DOE-BES) 提供支持。ALS 于 1993 年开始运行，此后不断升级，一直是世界上最亮的软 x 射线源之一。ALS 针对使用来自软 x 射线波荡器源的强光束的 x 射线光谱、显微镜和散射进行了优化，但也为更广泛的社区提供服务，这些社区使用来自超导磁体、传统偶极磁体和插入装置的硬 x 射线、红外 (IR) 和真空紫外 (VUV) 辐射进行研究。1.9 GeV 环在 40 多条光束线上拥有世界一流的终端站和仪器，为近 1700 名用户提供服务，他们每年出版 800 多份出版物，并在能源科学、地球和环境科学、材料科学、生物学、化学和物理学领域开展基础、应用和工业研究。我们的使命是向广大科学界提供我们世界一流的同步加速器光源能力和专业知识，推动科学进步，造福社会。发展、维护和支持一个充满活力和多样化的用户社区对于 ALS 作为用户设施的成功至关重要。为了吸引社区，ALS 科学家通过多种渠道与社区进行接触，包括参加会议、组织研讨会以及参加董事会和审查委员会。
具有纳秒间隔的可调谐 X 射线自由电子激光多脉冲
X 射线自由电子激光器 (XFEL) 的光子束比第三代光源亮 10 个数量级，是科学应用中最亮的 X 射线源 1 – 4 。其独特的波长可调性、飞秒脉冲持续时间和出色的横向相干性被用于多个科学研究领域，包括原子、分子和光学物理、化学、生物、凝聚态物理和极端条件下的物质 5 。X 射线脉冲定制一直是一个非常活跃的研究领域，包括新型超短高功率模式 6、7，极化控制 8 – 10 和双色双脉冲 11 – 18 。双 X 射线脉冲被开发用于进行 X 射线泵/X 射线探测实验，其中由一个 X 射线脉冲引发的超快物理和化学动力学可以通过第二个超短 X 射线探测脉冲来探索。这种脉冲通常是用分裂波荡器11、16或双束流技术15产生的。在双束流模式下，脉冲之间的时间间隔限制在125 fs以内，而使用新鲜切片方案16通常会产生最大延迟约为1皮秒的双脉冲。然而，有些实验需要更长的时间间隔。例如，可以通过用第一个X射线脉冲触发取决于压力的过程，然后在几纳秒后用第二个X射线脉冲探测它们，来研究水滴的爆炸19。可以用延迟超过120纳秒的第二个脉冲来探测X射线在气体装置中引起的丝状效应20。在X射线探针/X射线探针类实验中，两个脉冲都不是用来驱动样品进入不同状态的，但两个X射线脉冲在散射后可以进行有效比较，并用于在明确定义的时间间隔内提取信息。例如，从记录的散斑图案研究了磁性 skyrmion 的平衡波动，这些散斑图案是纳秒范围内两个衰减 x 射线脉冲之间的时间延迟的函数 21 – 25。最近，随着 LCLS 基于 x 射线腔的系统的出现，双脉冲和多脉冲模式传输变得至关重要 26、27。基于腔的 XFEL（CBXFEL）项目目前依赖于 220 ns 双脉冲模式，而 x 射线激光振荡器 (XLO) 28 将使用最多 8 个脉冲串，间隔为 35 ns。许多极端条件下的物质 (MEC) 实验也需要最多 8 个 x 射线脉冲，间隔 ≤ 1 ns，现在可以传输 29 – 31。在本文中，我们完整描述了一种新型双桶方案，该方案在 LCLS-I 和 LCLS-II 波荡器上使用铜直线加速器 32 – 34 运行。我们使用在不同射频 (RF) 桶中加速的两个电子束将 x 射线脉冲延迟范围扩展到 1 ps 以上。使用现有的 S 波段加速结构，工作频率为 2.856 GHz，可用的最小时间延迟为 ∼ 350 ps，对应于单个桶分离。延迟可以按整数桶数进行控制，也可以按 350 ps 的步长控制，最高可达数百纳秒。基于超导加速器技术的现有和计划中的高重复率 FEL 机器将产生重复率为 MHz 量级的光子束串，因此 XFEL 脉冲之间的最小距离比使用所提出的方案可实现的距离长得多。FERMI 展示了一种类似的技术，可以产生最大分离为 ∼ 2.5 ns 的双电子束。然而，激光过程仅限于极紫外波长。
使用锯齿折射透镜在高能 X 射线光束线上聚焦
1-ID X 射线光束线利用先进光子源 (APS) 储存环电子束的高能量 (7 GeV)、其低发射率、短周期波荡器源和针对高能 X 射线优化的光学系统，提供 40-140 keV 光子能量范围内的高亮度光束，用于材料散射研究。这种 X 射线与物质相互作用的特点是衰减低、散射角小、相互空间访问大，使其非常适合用作体探测器以及几何限制或极端样品环境。光束线范围的很大一部分涉及以高空间分辨率研究工程材料的微观结构和演变，例如获得多晶材料的三维晶粒图，给出位置、形状、晶体取向和应变状态，并通常跟踪在施加的刺激下发生微观机械变化的数千个晶粒的这些参数。高空间分辨率研究通常通过结合多种互补技术进行，即在同一样本上使用聚焦和非聚焦光束。聚焦光束技术包括近场高能衍射显微镜 (nf-HEDM；Suter 等人，2006 年)、衍射断层扫描 (Birkbak 等人，2017 年) 和相干衍射成像 (CDI)。非聚焦光束用于传统断层扫描和远场高能衍射显微镜 (ff-HEDM；Lienert 等人，2011 年)。实现这样一套技术使得同轴聚焦光学系统变得可取，从而使线 (1D) 聚焦、点 (2D) 聚焦和非聚焦配置的光束位置保持不变。主要出于这个原因，不使用 Kirkpatrick–Baez 反射光学器件，尽管它们是消色差的，因此很容易适应能量可调性（如果基于全外部反射，而不是多层）。此外，与同轴光学器件不同，小焦点位置容易受到反射光学器件的角度稳定性的影响。基于菲涅尔区的光学器件（例如区域板和多层劳厄透镜）以同轴方式运行，但具有其他衍射级晕，其消除
大型加速器用户设施运行的可靠性考虑
在过去的几十年里，加速器被开发和优化为探索亚核粒子研究能量前沿的工具。然而，最近，加速器优化的另一个方面变得更加重要，即高度可靠的操作，以产生大量的粒子碰撞（“粒子工厂”）或光子（光源），为庞大而多样化的用户群体服务。可靠性方面对于光源尤其重要。光源拥有由数千名用户组成的庞大用户群体，这些用户组织成小型独立研究团队，每个研究团队仅使用一小部分光束时间。即使由于频繁的故障和中断导致的轻微运营效率低下也可能导致某些研究团队分配的光束时间完全损失，从而严重扰乱他们的科学计划。出于这些原因，人们越来越重视高度可靠的操作。可靠性通常定义为在预定时间段内提供给用户的光束时间的相对总量。95% 的可靠性被认为是现代光源的可容忍下限。经常报告 98% 左右的可靠性值，这并不是不寻常的成就。这意味着，对于计划的每年 5000 小时的光束时间，由于故障，用户操作可能只会损失 250 小时或更少。假设平均完全从故障中恢复需要两个小时，中断之间的时间必须平均大于 40 小时（假设每天 24 小时和每周 7 天运行）。同步辐射科学已经变得非常复杂，光束的传输不再是可靠性的充分标准。用户需要具有计划的光束能量和几乎恒定的强度、高空间稳定性和所有光束参数在操作模式改变后具有高再现性的光束，例如通过改变波荡器磁铁的场强来改变光子能量。加速器由大量有源组件组成，其中许多组件具有高功耗，必须同时运行才能使光束运行。它们通过复杂的数字控制连接和协调，精确计时通常是正常运行的条件。对于拥有 100,000 个此类组件的设施，任何组件可能仅在运行 4 × 10 6 小时后才会失效。
大型操作的可靠性考虑因素...
在过去的几十年里，加速器被开发和优化为探索亚核粒子研究能量前沿的工具。然而，最近，加速器优化的另一个方面变得更加重要，即高度可靠的操作，以产生大量的粒子碰撞（“粒子工厂”）或光子（光源），为庞大而多样化的用户群体服务。可靠性方面对于光源尤其重要。光源拥有由数千名用户组成的庞大用户群体，这些用户组织成小型独立研究团队，每个研究团队仅使用一小部分光束时间。即使由于频繁的故障和中断导致的轻微运营效率低下也可能导致某些研究团队分配的光束时间完全损失，从而严重扰乱他们的科学计划。出于这些原因，人们越来越重视高度可靠的操作。可靠性通常定义为在预定时间段内提供给用户的光束时间的相对总量。95% 的可靠性被认为是现代光源的可容忍下限。经常报告 98% 左右的可靠性值，这并不是不寻常的成就。这意味着，对于计划的每年 5000 小时的光束时间，由于故障，用户操作可能只会损失 250 小时或更少。假设从故障中完全恢复平均需要两个小时，中断之间的时间必须平均大于 40 小时（假设每天 24 小时和每周 7 天运行）。同步辐射科学已经变得非常复杂，光束的传输不再是可靠性的充分标准。用户需要具有计划的光束能量和几乎恒定的强度、高空间稳定性和所有光束参数在操作模式改变后具有高再现性的光束，例如通过改变波荡器磁铁的场强来改变光子能量。加速器由大量有源组件组成，其中许多组件具有高功耗，必须同时运行才能使光束运行。它们通过复杂的数字控制连接和协调，精确计时通常是正常运行的条件。对于拥有 100,000 个此类组件的设施，任何组件可能仅在运行 4 × 10 6 小时后才会失效。
SLAC 国家加速器实验室 - NITRD
1 简介 光源和中子源通过捕捉复杂物质的结构和电磁动力学，在理解不同时间和长度尺度上复杂物质的基本特性方面发挥着关键作用。这些科学设施依赖于人类建造的一些最复杂的机器。例如，X射线自由电子激光器（XFEL）由粒子加速器驱动，产生高度相干的光以对样品进行详细成像，其操作需要许多子系统的紧密集成：高性能粒子加速器、产生X射线的灵敏磁波荡器、高功率X射线光学器件以及复杂的探测器和复杂的样品环境（例如与超快激光器同步泵浦）。全面利用光源和光束线的功能可以在生物学、化学、物理学和材料科学等广泛领域带来新的科学发现。越来越复杂的仪器和光源功能可以实现前所未有的测量，从而揭示物质的基本特性。然而，相对于巨大的实验需求，中子和光源的稀缺导致分配的光束时间短缺。因此，迫切需要开发实时数据分析和实验指导能力，以有效利用有限的实验时间并最大限度地提高收集数据的科学价值。此外，还需要减少目前花在设置设施以交付给不同实验上的大量时间。光源实验可以从数字孪生 (DT) 技术中受益匪浅，该技术可以利用先前的测量、已知参数和理论来指导实验期间的采样策略并产生独特的科学见解。DT 对于简化用户设施的运行至关重要，这涉及复杂的系统控制。光源也是开发和部署 DT 技术的理想试验台。此类试验台的经验对于开发可靠、可持续、可互操作的 DT 基础设施至关重要，这些基础设施可用于美国国家利益的众多应用领域（气候、能源网等）。复杂光源的一个突出例子是独一无二的高重复率它们是高度动态的系统，随着时间的推移，条件会发生许多有意和无意的变化，它们由多个复杂的相互作用的子系统组成，这些子系统需要协同运行才能获得最佳性能，它们具有可以轻松利用和与测量数据融合的物理模拟，与许多其他应用程序相比，它们为探索 DT 概念提供了更封闭的环境（例如，与全球气候的 DT 相比），并且全球有许多具有共享设计的光源，从而能够探索易于跨系统互操作和交换的技术。