日本NanoTerasu：3 GeV同步辐射刷新能量分辨率世界纪录！

前言

NanoTerasu是一个位于日本仙台的第四代3GeV同步辐射光源设施。它的主要目标是提供高亮度的软X射线和紫外线，覆盖从紫外线到软X射线的宽光谱范围。NanoTearasu的设计目标亮度为10²¹/s/mm²/mrad²/0.1%带宽，该光源2024 年4月开始用户运行。

图1 NanoTearasu俯瞰图

PART.01

NanoTerasu概述

NanoTerasu，一种新型的3GeV同步辐射光源，提供高亮度的软X射线和紫外线，覆盖从紫外线到软X射线的宽光谱范围。其周长为349m的紧凑型储存环基于四弯消色差晶格，在每个单元中提供两个直段，用于插入具有自然水平发射率的设备1.14 nm·rad，适用于软X射线用户。NanoTerasu加速器融合了多项创新技术，包括全长能量注入器C波段线性加速器（长度为110m）、真空内离轴注入系统、带有B-Q组合弯曲磁铁的四弯消色差晶格，以及带有内置高阶模阻尼器的TM020模式加速腔。

图2 NanoTerasu储存环示意图

PART.02

加速器设计

图5展示了NanoTerasu加速器系统的构成，该系统包括一个110m长3GeV的直线加速器和80m长的束流传输段。为了稳定注入束流，需要直线加速器提供低发射度的注入光束，其水平动态孔径需达到15mm。

图3光束注入阶段

直线加速器所需的3GeV发射度需小于2nm·rad，对应归一化发射度小于10mm·mrad，束团电荷为0.3nC。为了同时满足发射度要求和用户对于设备坚固性以及近乎免维护运行的要求，开发了一种配备栅状热电子阴极（EIMAC Y845，CPI）的50kV直流电子枪，这种电子枪已在多个加速器设施中得到应用。

图4直线加速器

通过优化阴极栅电压实现的透明栅状设计能够产生低发射率束流。通过使用位于50kV枪出口下游的238MHz加速射频腔，可以有效抑制由于空间电荷效应导致的发射度增长。500KeV电子束的核心部分包含60%的1nC仑束团电荷，测量的归一化发射度为1.7mm·mrad，不仅满足了NanoTerasu注入器的要求，也满足了软X射线自由电子激光器的电子源要求。500千eV电子束通过476MHz的次谐波聚束器（SHB）从500皮秒压缩至5皮秒全宽半高（FWHM），并在2m长的S波段加速结构中加速至40兆电子伏。

主加速段由20个C波段加速单元组成，实现了从40MeV到3GeV的高效加速。单个单元中，速调管的50兆瓦(MW)、2.5μs射频输出通过射频脉冲压缩腔（SLED）增加到180 MW，并送入两个2m长的C波段加速结构。C波段加速单元实现了42MV/m的加速度梯度。使用MicroTCA.4系统对C波段单元进行精确的低电平射频控制，以确保电子束的高稳定性和可重复性。该系统由一个高速数字化仪和一个具有8通道输入和1通道矢量调制输出的射频前端组成，能够监测射频功率和相位，并进行精确的衰减控制。

图5 NanoTerasu的线性加速器和光束传输线图

从3GeV直线加速器产生的电子束流通过80米长的束流传输段输送至储存环。电子束流在水平方向经过三个偏转段，在垂直方向经过一个偏转段。偏转段在消色差条件下形成，各偏转段的色散函数在几十mm量级局部闭合。束流输送线与储存束流轨道有高度不同的立体交叉，并向内延伸。两块垂直弯曲磁铁在BT2和BT3段之间将电子束提升高度600mm。在BT3中，注入光束逐渐接近储存环注入点的储存光束轨迹。

图7 磁铁的布置

PART.03

光束注入

环内部的真空离轴光束注入系统用于稳定、透明的光束注入。如图8所示，该系统由两个紧凑的直流隔板磁铁组成，这些磁铁采用了最近提出的低电流密度设计，一个真空内脉冲隔板磁铁，以及一对具有相同磁特性的孪生偏转器。系统设计允许注入的电子束具有小的振荡幅度，以及存储束流的振荡幅度小于10μm，满足在顶部补充操作期间的透明束注入要求。凸起束流轨迹从标称位置水平偏移7.5mm。隔板壁厚0.5mm，距离凸起存储束流2.5mm。每个偏转器的长度和偏转角度分别为300mm和6 mrad，脉冲七极的长度为500mm，偏转角度为70 mrad，直流隔板的长度为400mm，偏转角度为48mrad。

图8 储存环注入区示意图

PART.04

公共光束线列表

PART.05

BL02U线站开发背景及目的

共振非弹性 X 射线散射 (RIXS)是一种利用同步加速器X射线的高灵敏度光谱技术，全球同步加速器辐射设施正致力于提升其能量分辨率，特别是在软X射线区域，RIXS的能量分辨率在过去二十年里显著提升。日本国立放射线科学技术研究所（QST）在NanoTerasu同步加速器上安装了软X射线RIXS设备，目标是达到世界最高的能量分辨率。

然而，传统RIXS技术在高能量分辨率上的提升已接近极限，其方法是在光束线上用单色X射线照射样品，收集所有散射X射线并进行光谱分析。这种方法在提高分辨率的同时牺牲了X射线的利用效率，导致整体测量效率下降。这不仅增加了测量时间，也使得维持实验条件如室温、样品和光学元件温度在理想范围内变得困难。因此，实现高能量分辨率与高测量效率的结合成为了一项挑战。

PART.06

所开发设备的概述

为了克服传统方法的局限性，NanoTerasu 中心的首席研究员 Jun Miyawaki 和他的同事在 NanoTerasu 的公共光束线 BL02U 上引入了一种称为“2D-RIXS”的新光谱方法。2D-RIXS光谱仪在垂直面和水平面发挥不同的作用，以确定照射X射线和散射X射线之间的能量差。这些平面是正交的，因此它们不会相互影响。该设备以16.1 meV 的能量分辨率实现了世界领先的性能，并于2025年3月起与国内外研究人员共享，比原计划提前。

图9 NanoTerasu BL02U和2D-RIXS光谱仪原理

✅在垂直面内

在束线处，NanoTerasu 电子存储环提供的同步辐射白色 X 射线发生能量色散，从而产生在垂直方向上具有连续能量分布的 X 射线。这些X射线直接照射到样品上，散射的X射线被成像镜反射向探测器。成像镜的设计使得样品上X射线照射区域的图像被放大并聚焦在探测器上。因此，散射X射线在探测器上的垂直入射位置对应于原始发射X射线的能量。

✅在水平面内

在水平面上，衍射光栅用于将散射的 X 射线衍射向探测器。此时，由于衍射光栅的作用，发生能量色散，不同能量的X射线到达探测器上不同的水平位置。因此，探测器的水平方向对应于散射X射线的能量。

光束线和2D-RIXS光谱仪采用一体式设计，避免在输出侧使用狭缝，避免因使用能量色散光而导致光强下降。此外，测量散射X射线二维强度分布的探测器可以同时获取二维能量信息。因此，可以同时实现高分辨率和高测量效率。

图10 2D-RIXS光谱仪原理

总结与展望

NanoTerasu已于2023年9月11日实现了存储束流达到200mA的目标。在这种配置下，为用户操作提供了模型一致的储存环。从2024年4月开始用户操作时，从160mA的存储束流开始，这是稳定配置200mA的一个80%的水平。未来若要建造新的光束线，需要增加射频功率并对该功率进行调节。

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