全面介绍美国阿贡国家实验室APS线站！

说明：本次主要介绍美国阿贡国家实验室APS线站，包括APS线站的实验配置，APS线站的技术设施、APS线站的技术及成果。想学更多XAFS知识请看历史内容！

👉  国家同步辐射实验室软X射线共振散射线站（金华散射线站）介绍

美国阿贡国家实验室的先进光子源（Advanced Photon Source, APS）作为第三代同步辐射光源的典范，其光束线系统以亚微米空间分辨与飞秒时间分辨能力，持续推动着多学科交叉研究的边界突破。在完成17亿美元升级的APS-U时代，储存环采用7弯铁消色性结构，将X射线通量密度提升至原系统的100-1000倍，为极端条件下物质行为研究提供了前所未有的探针。

该设施年接待全球3000+科研团队，在《Nature》《Science》等顶刊年均发表论文超600篇。2023年运行数据显示，其光束线利用效率达92%，实验成功率突破85%，保持同步辐射设施全球领先地位。随着多层膜单色器、谐波抑制晶体等新技术的全面部署，APS光束线正将X射线科学推向阿秒-埃米的新维度。

先进光子源由35个扇区组成，每个扇区包含一个或多个光束线，如下图所示。

该装置中ID（插入件）线站占比达83%，采用可变周期波荡器技术，可输出5-40 keV连续可调单色X射线。以备受关注的25-ID线站为例，其采用双多层膜单色器系统，搭配Kirkpatrick-Baez镜组实现<50 nm的硬X射线聚焦，光通量密度突破10²⁰ phs/s/mm²，为纳米尺度原位表征设立了新基准。

在实验终端配置方面，APS光束线集成多项创新技术：

1. 高压物理线站（16-BM）配备金刚石对顶砧与激光加热系统，实现同步辐射X射线衍射与拉曼光谱联用，支持1亿个大气压条件下的物态研究；

2. 动态压缩线站（35-ID）采用气炮冲击加载装置，时间分辨衍射测量精度达100 ps；

3. 生物大分子线站（23-ID）配置低温晶体机器人，年解析蛋白质结构超2000例。

APS技术设施由六个主要部件组成：直线加速器或直线加速器、粒子累积环、助推器同步加速器、电子储存环、插入装置和实验大厅。

• 直线加速器

在APS中产生高亮度、高能量的X射线束始于从加热到约1000℃的阴极发射的电子。这些电子通过直线加速器（下图）中的高压交变电场加速。电场的选择性相变将电子加速到4.5亿电子伏特（MeV）。

• 粒子累积环

直线加速器发出的光束被注入粒子累积环 (PAR)，该环将10-15纳秒电子的长脉冲压缩到小于1纳秒，并清除电子束以确保杂散电子被驱逐出电子束。然后提取光束并将其送至助推器同步加速器。

• 助推器同步加速器

电子被注入到助推器同步加速器中，这是一个赛道形状的电磁铁环，并在半秒钟内从450 MeV加速到70亿电子伏特（7 GeV）。电子现在以大于光速99.999999%的速度运行。加速力由四个射频（rf）腔中的电场提供。为了维持电子的轨道路径，弯曲和聚焦磁铁与rf场同步增加电子场强度。

• 电子储存环

7 GeV电子被注入1104米周长的储存环，这是一个由超过1000个电磁铁和相关设备组成的圆环。该储存环位于实验大厅内的一个防辐射混凝土围墙内，其大小足以包围芝加哥的电磁场。强大的电磁场将电子聚焦成一个狭窄的光束，该光束在穿过电磁铁中心的铝合金真空室内运行时弯曲成圆形路径。

APS储存环中磁体的排列或晶格形式产生的光束尺寸非常小，角散射也很低，这是同步加速器光源使用者所重视的特性。这种晶格形式还在储存环中形成了40个直截面或扇形。其中5个扇形用于光束注入和射频反射设备。剩下的35个扇形可以用于仪器设备，以提供西半球能量最高的X射线源。

• 插入装置和亮度

针对插入装置优化的同步加速器存储环（下图）称为“第三代”存储环。第三代存储环最大限度地提高了前沿实验所需的X射线束质量、通量和亮度。光通量和亮度是X射线束质量的基准。两者都基于在窄能量带宽和水平和垂直方向上以立体角为单位的每秒光子数的度量。通量是每秒通过定义区域的光子数，是使用整个未聚焦X射线束的实验的适当度量。Brilliance（亮度）是X射线束强度和方向性的量度。它确定X射线束可以聚焦的最小点。

• 实验厅和光束线

APS存储环和实验大厅之间的棘轮形辐射屏蔽墙作为一条分界线。实验大厅的地板上标有35个“扇区”。这些扇区中的每一个都包含至少两条X射线光束线，一条起源于存储环晶格中的弯曲磁体，另一条起源于插入装置。随着所有APS部门的配备和运营，APS实际上在一个棚屋下拥有35个独立的实验室。

• LOMs和光束线

在设计实验大厅时，APS受益于在其他同步加速器设施进行实验的研究人员的经验，选择了实验室/办公室模块（或 LOM），并且明确表示他们希望这些模块尽可能靠近光束线。如下图所示，LOM毗邻实验大厅，距离每条光束线仅几步之遥。

用户光束线包括晶体和/或反射镜光学元件，旨在为特定类型的实验定制电子束。这些光学元件从插入装置光束携带的能量（或波长）中挑选出大约百万分之一，并将该能量沿光束线传递到包含所研究样品的铅制防辐射实验站；分析和表征散射、吸收或成像过程可能需要的其他光学元件；以及探测器，用于从X射线束和样品的相互作用中收集数据。

材料科学领域近期突破包括：在31-ID线站通过X射线吸收精细结构谱（XAFS），首次观察到锂硫电池多硫化物演化的瞬态中间态；在11-ID-C线站利用布拉格相干衍射成像（BCDI），解析了镍基高温合金在1200℃下的位错运动机制。环境科学团队在20-BM线站采用X射线荧光断层扫描，以500 nm分辨率重建了植物根系-土壤界面重金属迁移的三维图谱。

值得关注的是APS特色技术——X射线光子关联谱（XPCS），在8-ID线站实现0.1-1000 s动态范围的纳米尺度涨落测量，成功应用于胶体玻璃态动力学研究。同步辐射小角散射（SAXS）线站（12-ID）近期完成毫秒级快速采集升级，为高分子材料相变动力学研究提供新范式。

更多详细内容可查看https://www.aps.anl.gov/Beamlines/Directory。