阅读说明：本技术 一种硬x射线自由电子激光固体衰减器及衰减控制方法 (Hard X-ray free electron laser solid attenuator and attenuation control method ) 是由 佟亚军 江怀东 范家东 于 2020-05-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种硬X射线自由电子激光固体衰减器及衰减控制方法,包括前衰减臂、后衰减臂、真空腔体、运动控制系统和控制电脑系统,所述前衰减臂的衰减片一和后衰减臂的衰减片二在真空腔体内相对设置,运动控制系统分别与前衰减臂和后衰减臂连接,用于控制前衰减臂和后衰减臂相对运动,使得衰减片一和衰减片二在X射线自由电子激光光束上组合形成不同的厚度满足衰减需求,控制电脑系统与运动控制系统连接,用于根据衰减需求计算前衰减臂和后衰减臂的运动距离并向运动控制系统发出控制指令。本发明通过调节衰减片之间的相对位移距离即可实现不同能量下、不同衰减量级衰减片厚度连续调节,满足多种衰减需求。(The invention discloses a hard X-ray free electron laser solid attenuator and an attenuation control method, wherein the hard X-ray free electron laser solid attenuator comprises a front attenuation arm, a rear attenuation arm, a vacuum cavity, a motion control system and a control computer system, wherein a first attenuation sheet of the front attenuation arm and a second attenuation sheet of the rear attenuation arm are oppositely arranged in the vacuum cavity, the motion control system is respectively connected with the front attenuation arm and the rear attenuation arm and is used for controlling the front attenuation arm and the rear attenuation arm to relatively move, so that the first attenuation sheet and the second attenuation sheet are combined on an X-ray free electron laser beam to form different thicknesses to meet attenuation requirements, and the control computer system is connected with the motion control system and is used for calculating the motion distance of the front attenuation arm and the rear attenuation arm according to the attenuation requirements and sending a control command to the motion control system. The invention can realize the continuous adjustment of the thickness of the attenuation sheets with different energies and different attenuation magnitudes by adjusting the relative displacement distance between the attenuation sheets, thereby meeting various attenuation requirements.)

一种硬X射线自由电子激光固体衰减器及衰减控制方法

技术领域

本发明涉及一种硬X射线自由电子激光固体衰减器及衰减控制方法，属于硬X射线自由电子激光光束线领域。

背景技术

X射线自由电子激光(XFEL)具有高亮度、高相干性、超短脉冲的特点，是基础科学研究的利器。X射线自由电子激光的超高亮度使其在聚焦的情况下能够损伤任何物质，因此利用X射线自由电子激光做实验，在调试和实验准备期间需要将X射线自由电子激光衰减1-6个量级，甚至更多。在硬X射线波段目前一般采用单晶硅、金刚石、碳化硼等材料在光束线前端插入光路来实现衰减，这时为了实现不同能量下、不同衰减量级需要采用不同厚度的衰减片组合。这种组合不能实现连续可调，同时因为组合较多，需要几十片衰减片配合工作。与此同时，第一片受到自由电子激光照射的衰减片还负责吸收极高的热负载，它需要有耐损伤、带走热负载的能力。

综上所述，已有的固体衰减器系统非常复杂，没有连续可调能力，抗损伤能力弱。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：现有的固体衰减器系统非常复杂，没有连续可调能力且抗损伤能力弱的问题。

为了解决上述问题，本发明的技术方案是提供了一种硬X射线自由电子激光固体衰减器，其特征在于：包括前衰减臂、后衰减臂、真空腔体、运动控制系统和控制电脑系统，所述前衰减臂的衰减片一和后衰减臂的衰减片二在真空腔体内相对设置，运动控制系统分别与前衰减臂和后衰减臂连接，用于控制前衰减臂和后衰减臂相对运动，使得衰减片一和衰减片二在X射线自由电子激光光束上组合形成不同的厚度满足衰减需求，控制电脑系统与运动控制系统连接，用于根据衰减需求计算前衰减臂和后衰减臂的运动距离并向运动控制系统发出控制指令。

优选地，所述前衰减臂包括衰减片一、冷却夹持机构一、波纹管一、固定臂一和运动驱动机构一，所述冷却夹持机构一的一端插入真空腔体用于夹持位于真空腔体内衰减片一，另一端通过固定臂一与运动驱动机构一连接，运动驱动机构一与运动控制系统连接，冷却夹持机构一位于真空腔体外的部分套设有波纹管一保证衰减片一运动时始终位于真空腔体内。

优选地，所述冷却夹持机构一内设有用于对衰减片一进行冷却的冷却水管一。

优选地，所述后衰减臂包括衰减片二、冷却夹持机构二、波纹管二、固定臂二和运动驱动机构二，所述冷却夹持机构二的一端插入真空腔体用于夹持位于真空腔体内衰减片二，另一端通过固定臂二与运动驱动机构二连接，运动驱动机构二与运动控制系统连接，冷却夹持机构二位于真空腔体外的部分套设有波纹管二保证衰减片二运动时始终位于真空腔体内。

优选地，所述冷却夹持机构二内设有用于对衰减片二进行冷却的冷却水管二。

优选地，所述衰减片一和衰减片二均为直角梯形，两个直角梯形的形状大小相同，衰减片一的较长底边所在的一端与冷却夹持机构一连接，衰减片二的较长底边所在的一端与冷却夹持机构二连接，衰减片一的斜边和衰减片二的斜边在真空腔体相对设置，衰减片一的直角边为迎光面。

优选地，所述衰减片一包括矩形部分和三角形部分，所述矩形部分的材料为金刚石，负责耐受自由电子激光的高热负载和单脉冲损伤，三角形部分的材料为单晶硅或碳化硼，用于调节X射线自由电子激光光束通过位置的厚度。

优选地，所述衰减片二的材料为单晶硅或碳化硼，用于调节X射线自由电子激光光束通过位置的厚度。

本发明的另一个技术方案是提供了一种硬X射线自由电子激光的衰减控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：利用X射线计算软件XOP/xCrossSec计算金刚石和单晶硅或者碳化硼在不同能量下的线性吸收系数；

S2：根据S1计算的数据形成金刚石和单晶硅或者碳化硼的线性吸收系数与能量之间的插值函数，当需要衰减时，根据能量计算金刚石片线性吸收系数μ1和单晶硅或者碳化硼的线性吸收系数μ2；

S3：设厚度为t1的金刚石部分的衰减系数为A1，厚度为t2的单晶硅或者碳化硼部分的衰减系数为A2，需求衰减系数为A0，A0＝A1*A1,利用衰减系数公式A＝e^-μt，计算金刚石厚度为t1时所需单晶硅或者碳化硼的厚度t2，

S4：设衰减片一和衰减片二直角边和斜边的夹角为θ，根据衰减片一和衰减片二的几何参数，以直角梯形衰减片一和衰减片二的较短底边与X射线自由电子激光光轴重合位置为0点，计算需要前衰减臂和后衰减臂的运动距离x,

S5：控制电脑系统根据计算结果向运动控制系统发出控制指令将前衰减臂和后衰减臂同时运动x距离。

优选地，所述步骤S4中设定为只控制前衰减臂或后衰减臂运动，设两衰减臂当前位置均为x0，计算需要前衰减臂或后衰减臂的运动距离x1，

控制电脑系统根据计算结果向运动控制系统发出控制指令将前衰减臂或后衰减臂运动x1距离。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用相对设置的两套衰减片，通过调节衰减片之间的相对位移距离即可实现不同能量下、不同衰减量级衰减片厚度调节，结构和调节方法简单，通过控制电脑系统智能控制，可实现衰减片厚度连续调节，满足多种衰减需求；同时前衰减片的迎光面采用金刚石耐受X射线自由电子激光的高热负载和单脉冲损伤，大大提高了固体衰减器的抗损伤能力。

附图说明

图1为本发明一种硬X射线自由电子激光固体衰减器结构示意图；

图2为本发明一种硬X射线自由电子激光固体衰减器工作过程示意图；

图3为前衰减臂左视图；

图4为前衰减臂主视图；

图5为后衰减臂左视图；

图6为后衰减臂主视图；

图7为本发明一种硬X射线自由电子激光的衰减控制方法原理图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

如图1和图2所示，本发明一种硬X射线自由电子激光固体衰减器包括一套前衰减臂2、一套后衰减臂3、一套真空腔体4、运动控制系统5、控制电脑系统6。

如图3和图4所示，前衰减臂2包括直角梯形衰减片一21、冷却夹持机构一203、冷却水管一206、波纹管一204、固定臂一205和运动驱动机构一207；衰减片一21由矩形部分201和三角形部分202组成，矩形部分201的材料为金刚石，负责耐受自由电子激光的高热负载和单脉冲损伤，三角形部分202的材料为单晶硅或碳化硼，用于调节X射线自由电子激光光束1通过位置的厚度。金刚石和单晶硅或者碳化硼之间可以采用单晶硅或者碳化硼上镀金刚石，单晶硅或者碳化硼的直角三角形插入光路的两条边夹角根据工作能量范围和衰减需求、可移动范围来计算得到。

冷却夹持机构一203的一端插入真空腔体4用于夹持位于真空腔体4内衰减片一21，另一端通过固定臂一205与运动驱动机构一207连接，固定臂一205安装在运动驱动机构207上，实现真空腔体4外直线位移到真空腔体4内位移的传动，运动驱动机构一207与运动控制系统5连接。冷却夹持机构一203将直角梯形衰减片一21通过金属铟紧密夹持在一起，形成良好的导热性，冷却夹持机构203中间通冷却水管一206，对衰减片一21进行冷却，冷却水管一206的进水口和出水口位于冷却夹持机构一203的顶端。冷却夹持机构一203位于真空腔体4外的部分套有波纹管一204用于分隔工作在真空腔体4中的直角梯形衰减片一21和工作在大气中的运动驱动机构一207，保证衰减片一21运动时始终位于真空腔体4内。

如图5和图6所示，后衰减臂3包括直角梯形衰减片二301、冷却夹持机构二302、波纹管二303、固定臂二304和运动驱动机构二306，冷却夹持机构二302的一端插入真空腔体4用于夹持位于真空腔体4内衰减片二301，另一端通过固定臂二304与运动驱动机构二306连接，固定臂二304安装在运动驱动机构二306上，实现真空腔体4外直线位移到真空腔体4内位移的传动，运动驱动机构二306与运动控制系统5连接。冷却夹持机构二302将直角梯形衰减片二301通过金属铟紧密夹持在一起，形成良好的导热性，冷却夹持机构二302中间通冷却水管二305，对衰减片二301进行冷却，冷却水管二305，的进水口和出水口位于冷却夹持机构二302的顶端。冷却夹持机构二302位于真空腔体4外的部分套有波纹管二303用于分隔工作在真空腔体4中的直角梯形衰减片二301和工作在大气中的运动驱动机构二306，保证衰减片二301运动时始终位于真空腔体4内。

衰减片一21和衰减片二301均为直角梯形，两个直角梯形的形状大小相同，衰减片一21的较长底边所在的一端与冷却夹持机构一203连接，衰减片二301的较长底边所在的一端与冷却夹持机构二302连接，衰减片一21的斜边和衰减片二301的斜边在真空腔体4相对设置，形成在光路中的厚度互补，保证两套衰减片在X射线自由电子激光光束1中的部分具有相同的厚度，衰减片一21的直角边为迎光面。

真空腔4用于安装前衰减臂2和后衰减臂3，使前衰减臂2的衰减片一21、以及冷却夹持机构一203与衰减片一21连接的部分、后衰减臂3的衰减片二301、以及冷却夹持机构二302与衰减片二301连接的部分工作在真空条件下。

运动控制机构5用于控制前衰减臂2的运动驱动机构一207和后衰减臂3的运动驱动机构二306。

控制电脑系统6用于根据衰减需求计算运动驱动机构一207和运动驱动机构二306的运动距离，并向运动控制机构5发出控制指令。

基于上述固体衰减器，如图7所示，本发明一种硬X射线自由电子激光的衰减控制方法包括如下步骤：

S1：利用X射线计算软件XOP/xCrossSec计算金刚石和单晶硅或者碳化硼在不同能量下的线性吸收系数；

S2：根据S1计算的数据形成金刚石和单晶硅或者碳化硼的线性吸收系数与能量之间的插值函数，当需要衰减时，根据能量计算金刚石片线性吸收系数μ1和单晶硅或者碳化硼的线性吸收系数μ2；

S3：设厚度为t1的金刚石部分的衰减系数为A1，厚度为t2的单晶硅或者碳化硼部分的衰减系数为A2，需求衰减系数为A0，t1的厚度一般在10-200微米左右，A0＝A1*A1,利用衰减系数公式A＝e^-μt，计算金刚石厚度为t1时所需单晶硅或者碳化硼的厚度t2，

S4：设衰减片一和衰减片二直角边和斜边的夹角为θ，根据衰减片一和衰减片二的几何参数，以直角梯形衰减片一和衰减片二的较短底边与X射线自由电子激光光轴重合位置为0点，计算需要前衰减臂和后衰减臂的运动距离x,

S5：控制电脑系统根据计算结果向运动控制系统发出控制指令将前衰减臂和后衰减臂同时运动x距离。

S4也可以设定为只控制前或者后衰减臂运动，设两衰减臂当前位置均为x0，此时需要控制运动距离x1如下：

控制电脑系统根据计算结果向运动控制系统发出控制指令将前衰减臂或后衰减臂运动x1距离。