25733

طراحي خط باريكه EXAFS چشمه نور ايران و بررسي تاثيرات چشمه آن بر ديناميك باريكه حلقه انبارش

دكتري

فيزيك

1400

1400/03/24

دكتر فاطمه دباغ كاشاني - دكتر جواد رحيقي

فيزيك

در چشمه‌هاي نور يا آزمايشگاه‌هاي تابش سنكروتروني، خطوط باريكه متعددي به‌طور همزمان به كاربران تابش سنكروتروني خدمات ارائه مي‌كنند. يكي از خطوط باريكه چشمه نور ايران خط باريكه اگزفس است. هر خط باريكه از سه بخش اصلي تشكيل شده‌است كه عبارتند از چشمه تابش، بخش پيش‌انتها و بخش اپتيكي خط باريكه. چشمه تابش خط باريكه در حلقه انبارش قرار مي‌گيرد و عبور باريكه الكتروني از آن باعث توليد تابش سنكروتروني مي‌شود. حضور چشمه تابش باعث تغيير در مشخصات باريكه الكتروني در حلقه انبارش مي‌شود. طراحي بخش‌هاي مختلف خط باريكه EXAFS و بررسي اثرات چشمه تابش خط باريكه بر ديناميك باريكه الكتروني در حلقه انبارش را مي‌توان به عنوان دو هدف اصلي اين رساله معرفي كرد. طراحي خط باريكه از طراحي چشمه تابش آن آغاز مي‌شود. با توجه به مشخصات باريكه الكتروني در حلقه انبارش چشمه نور ايران و بازه انرژي گسترده 3 الي 35 كيلو الكترون‌ولتي مورد نياز در خط باريكه EXAFS، از يك لرزاننده افقي تخت به‌عنوان چشمه تابش اين خط‌ باريكه استفاده شده‌است. تابش سنكروتروني توليد شده به‌وسيله چشمه تابش از طريق بخش پيش‌انتها از تونل شتابگر خارج و به بخش اپتيكي خط باريكه هدايت مي‌شود. جانمايي تجهيزات مربوط به ايمني تابش و محافظت از خلاء بسيار بالاي حلقه انبارش و همچنين شكاف‌هاي ثابت مورد استفاده قرار گرفته براي تنظيم ابعاد باريكه فوتوني در بخش پيش‌انتها، با در نظر گرفتن الزامات معماري و هندسه ساختمان شتابگر چشمه نور ايران انجام شده‌است. براي تطبيق ابعاد باريكه فوتوني و تفكيك انرژي باريكه با نياز‌هاي كاربران خط باريكه، در بخش اپتيكي خط باريكه از سه المان اصلي استفاده شده است. اين المان‌ها به ترتيب قرارگيري عبارتند از آينه موازي ساز، تكفام‌ساز دو بلوري و آينه متمركز كننده. پس از انجام مطالعات گسترده در اين رساله، تلاش شده‌است تا در طراحي بخش‌هاي مختلف خط باريكه قيد‌هاي مربوط به هزينه، ساخت و تامين مواد مورد‌نياز با اولويت ساخت تجهيزات در داخل كشور در نظر گرفته شوند. به‌همين دليل دو لرزاننده افقي تخت براي چشمه تابش خط باريكه EXAFS به‌صورت سه بعدي طراحي شده‌اند. تفاوت اين دو لرزاننده در فناوري خلاء مورد‌نياز آنهاست كه بر اين اساس امكان استفاده از هر دو نوع لرزاننده درون خلاء و خارج از خلاء به‌عنوان چشمه تابش اين خط باريكه فراهم شده‌است. در طراحي بخش اپتيكي براي دستيابي به بالاترين كيفيت تابش ممكن در خط باريكه، از دو پوشش متفاوت روديم و پلاتين براي هر دو آينه موازي كننده و متمركز كننده استفاده شده‌است همچنين براي دستيابي به تفكيك انرژي از مرتبه 1 كيلو الكترون ولت در كل بازه انرژي از دو بلور سيليكون با ضرايب ميلر متفاوت در تكفام‌ساز انرژي استفاده شده‌است. نتايج بدست آمده از ردگيري پرتو از چشمه تابش تا محل نمونه مورد آزمايش نشان مي‌دهد كه طراحي انجام شده توان پاسخگويي كامل به تمام نياز‌هاي از پيش تعيين شده كاربران اين خط باريكه را دارد. در اين رساله براي محاسبات ديناميك باريكه الكتروني در حلقه انبارش در ابتدا الگوريتمي براي بررسي تاثير خطاها بر عملكرد باريكه الكتروني توسعه يافته شده‌است كه در آن براي اولين بار روش اصلاح دو مرحله‌اي مورد‌استفاده قرار گرفته‌ و به كمك آن تاثيرات مخرب خطاها بر عملكرد حلقه انبارش اصلاح شده‌است. در بخش بعدي از اين پژوهش به مطالعه دقيق تاثيرات چشمه تابش بر ديناميك باريكه پرداخته شده‌است كه در نتيجه آن براي اولين بار الگوريتمي براي محاسبه مشخصات باريكه الكتروني در حضور چشمه تابش به‌وسيله روش پوش اهمي توسعه يافته شده‌است. اين روش مي‌تواند برخي اثرات كه به‌وسيله روش‌هاي متداول پيشين قابل تشخيص نبودند را با دقت بالا پيش‌بيني كند. كليه الگوريتم‌هاي توسعه يافته شده در اين رساله به‌صورت عمومي نوشته شده‌اند و قابليت استفاده براي پژوهش‌هاي مشابه را دارند.

1400/09/25

The Design of Iranian Light Source Facility EXAFS Beamline and Study the Effects of Its Radiation Source on Storage Ring Beam Dynamics

6/14/2022 12:00:00 AM

In each light source or synchrotron radiation laboratory, several beamlines provide services to synchrotron radiation users simultaneously. The EXAFS beamline is one of the Iranian Light Source Facility (ILSF) beamlines. Each beamline consists of three main parts, which are the radiation source, the frontend section, and the optical section of the beamline. The radiation source is located in the storage ring and the passage of the electron beam through it produces synchrotron radiation. The presence of a radiation source changes the characteristics of the electron beam in the storage ring. Therefore, two main objectives are pursued in this thesis, first the design of different parts of the EXAFS beamline and then the study of the effects of the beamline radiation source on the electron beam dynamics in the storage ring. The design of the beamline starts from the design of its radiation source. The energy range and flux of the produced synchrotron radiation are determined by the characteristics of the radiation source and the characteristics of the electron beam in the storage ring. Due to the wide energy range of 3 to 35 keV required in the EXAFS beamline, a flat horizontal wiggler is used as its radiation source. The synchrotron radiation generated by the radiation source exits the accelerator tunnel and directed to the optical section of the beamline through the frontend section. Radiation safety and vacuum protection equipment are located in this section. Also, by using several fixed masks in the frontend section, the dimensions of the photon beam are prepared to enter the optical section. The optical part of the beamline consists of three main elements, which are the vertical collimating mirror, the dual crystal monochromator and the focusing mirror, respectively. These three optical elements determine the dimensions and the energy resolution of the photon beam at the location of the test specimen. After extensive studies in this thesis to find the most optimal design by considering the constraints related to cost, manufacturing, and supply of the required materials with the priority of manufacturing equipment in the country, the 3D model of two horizontal wiggler for the radiation source of the EXAFS beamline have been designed. The difference between these two wigglers is in the vacuum technology they require. The designed wigglers are In-vacuum and out of vacuum. In designing the optical part, to achieve the highest possible radiation quality in the beamline, two different coatings of rhodium and platinum have been used for both collimating and focusing mirrors. To achieve energy separation of the order of 1 keV in the whole energy range, two silicon crystals with different Miller coefficients have been used in the monochromator. the results of ray tracing from radiation source to test sample shows that the designed beamline can fully meet all the predetermined needs of users of this beamline. In this thesis, to study the electron beam stability in storage ring, an algorithm has been developed to investigate the effect of errors on the performance of the electron beam, in which the two-step correction method is used for the first time. This algorithm helps to greatly compensate the destructive effects of errors on storage ring performance. In the next part of this research, the effects of radiation source on beam dynamics are studied in detail, as a result of which, for the first time, an algorithm for calculating the electron beam characteristics in the presence of radiation source is developed by Ohmi envelope method. This method can accurately predict some effects that were not detectable by previously conventional methods. All the algorithms developed in this thesis are written in general and can be used for similar research.

چشمه نور ايران , EXAFS , تابش سنكروتروني , لرزاننده , ديناميك باريكه

Iranian Light Source Facility , EXAFS , Synchrotron radiation , wiggler , Beam dynamics