CN111541143B - 一种x射线自由电子激光事件主动触发系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种X射线自由电子激光事件主动触发系统，系统包括两套单脉冲位置探测器、一套样品点位置探测器、自由电子激光同步触发系统、多路高速数据采集系统、位置分析及事件主动触发系统、实验触发及探测系统、泵浦激光及辅助准直激光、衰减器及聚焦镜。本发明还提供了一种X射线自由电子激光事件主动触发方法。本发明能够提高实验效率，保证实验成功。
Description
技术领域
本发明涉及一种X射线自由电子激光事件主动触发系统及采用该系统的触发方法。
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。但是X射线自由电子激光也有一些缺点需要解决，最主要的是X射线自由电子激光装置非常长，从加速器到实验站全长有几公里，比如上海高重频硬X射线自由电子激光全长有3.1公里，仅光束线就有1.2公里长。这时整个束线光学元件的稳定性就会极大的影响到达实验站的光束位置，同时X射线自由电子激光受限于发光原理也会从光源产生约10％的不稳定性。而有些实验对光束位置稳定性要求非常高，比如一些泵浦实验，要求X射线自由电子激光与泵浦激光入射到同一位置，在实验站又没有非常好的办法来判断是否入射到同一位置，从而影响实验结果；有些实验泵浦激光为了实现高功率密度比如百拍瓦，他的重复频率非常低，这时高功率泵浦激光就非常珍贵。如果不能有效的保证X射线自由电子激光的位置稳定性，实验就非常难进行。这时就需要有效方法来提高实验效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：X射线自由电子激光由于其发光原理和其超长的传输距离导致的不稳定性极大的影响部分实验方法的实验效率，甚至使实验失败。
为了解决上述技术问题，本发明的一个技术方案是提供了一种X射线自由电子激光事件主动触发系统，其特征在于，包括两套单脉冲位置探测器、一套样品点位置探测器、自由电子激光同步触发系统、多路高速数据采集系统、位置分析及事件主动触发系统、实验触发及探测系统、泵浦激光及辅助准直激光、衰减器及聚焦镜。
两套单脉冲位置探测器分别放置在自由电子激光光束线中两个相隔一定距离的位置，两套单脉冲位置探测器之间无其他光学元件；单脉冲位置探测器在X射线自由电子激光脉冲作用下产生电压信号，电压信号通过多路高速数据采集系统进行采集后转换为数字信号；
多路高速数据采集系统由X射线自由电子激光触发系统触发开始执行；多路高速数据采集系统为每次采集的信号赋予X射线自由电子激光脉冲的唯一编号标记；
位置分析及事件主动触发系统用于分析多路高速数据采集系统采集到的数字信号，计算获得两套单脉冲位置探测器测得的X、Y方向的位置，对两个位置数据与设定的条件进行判断，如果判断结果为真发送事件主动触发信号，该事件主动触发信号发送给实验触发及探测系统；
实验触发及探测系统包括实验触发系统和探测系统，所述实验触发系统用于触发泵浦激光及辅助准直激光；所述实验触发系统触发探测系统工作，所述实验触发系统受到位置分析及事件主动触发系统控制其开始工作，同时受到自由电子激光同步触发系统控制使其按照设置延时触发泵浦激光及辅助准直激光、探测系统工作；
自由电子激光同步触发系统与自由电子激光脉冲信号锁定，同步精度小于30fs；
泵浦激光及辅助准直激光包括泵浦激光和辅助准直激光，辅助准直激光与泵浦激光同光路，在样品点位置与泵浦激光位置重合精度好于光斑尺寸的10％；
衰减器用于衰减X射线自由电子激光；
聚焦镜用于将X射线自由电子激光聚焦到样品点。
优选地，所述单脉冲位置探测器为金刚石位置探测器或康普顿背散射位置探测器。
优选地，所述单脉冲位置探测器具有小于5微米的位置探测精度，两套所述单脉冲位置探测器之间间隔大于200米。
优选地，所述多路高速数据采集系统为高速ADC系统，具有大于1GHz的数据采样能力。
优选地，所述样品点位置探测器采用康普顿背散射方法的探测器，同时测试X射线和可见光激光位置，所述样品点位置探测器可以实现0.5微米以下的位置探测精度。
优选地，所述衰减器为气体衰减器或固体衰减器。
本发明的另一个技术方案是提供了一种X射线自由电子激光事件主动触发方法，其特征在于，采用上述的系统，包括以下步骤：
步骤S1：将X射线自由电子激光用所述衰减器衰减到所述样品点位置探测器可接受范围，既不会损伤也可以有很高的信噪比；
步骤S2：所述单脉冲位置探测器处于工作状态，多路高速数据采集系统受到所述自由电子激光同步触发系统触发，所述多路高速数据采集系统采集单脉冲位置探测器数据并赋予自由电子激光脉冲的唯一编号标记；
步骤S3：所述样品点位置探测器放置在样品点处，该位置灵敏探测器探测泵浦激光的辅助准直光位置，也可以探测X射线自由电子激光位置；
步骤S4：X射线自由电子激光关闭，泵浦激光的辅助准直光打开，采集样品点位置探测器的信号，计算泵浦激光的辅助准直光位置；
步骤S5：打开自由电子激光，关闭泵浦激光的辅助准直光，多路高速数据采集系统采集样品点位置探测器的信号，计算自由电子激光的位置，所有数据赋予自由电子激光唯一编号标记；同时步骤S2在持续执行；
步骤S6：所述位置分析及事件主动触发系统通过步骤S2、步骤S4、步骤S5测得的四个位置信息，判断泵浦激光的辅助准直光位置与样品点自由电子激光位置重合，通过自由电子激光脉冲的唯一编号标记建立位置重合时与单脉冲位置探测器数据的关联关系；
步骤S7：根据步骤S6获得的关联关系，实验允许的位置误差设置位置分析及事件主动触发系统的判断条件；
步骤S8：移除衰减器，确认单脉冲位置探测器、多路高速数据采集系统、位置分析及事件主动触发系统正常工作；
步骤S9：当位置分析及事件主动触发系统发出触发信号，则实验触发及探测系统等待自由电子激光同步触发系统下一个同步触发信号，触发泵浦激光发光、探测系统工作。
本发明一种X射线自由电子激光事件主动触发系统及方法可以在高重频自由电子激光中，通过预测下一脉冲位置来解决X射线自由电子激光由于其超长的传输距离导致的不稳定性问题，能够提高实验效率，保证实验成功。
附图说明
图1为本发明提供的一种X射线自由电子激光事件主动触发系统的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1所示，本发明提供的一种X射线自由电子激光事件主动触发系统包括两套单脉冲位置探测器2、3，一套样品点位置探测器6，自由电子激光同步触发系统9，多路高速数据采集系统10，位置分析及事件主动触发系统12，实验触发及探测系统11，泵浦激光及辅助准直激光8，衰减器4，聚焦镜5。
两套单脉冲位置探测器2、3分别放置在自由电子激光光束线中两个相隔一定距离的位置，本实施例中，两套单脉冲位置探测器2、3间隔大于200米。两套单脉冲位置探测器2、3之间无其他光学元件。
单脉冲位置探测器2、3可以是金刚石位置探测器、康普顿背散射位置探测器。
单脉冲位置探测器2、3具有小于5微米的位置探测精度。
单脉冲位置探测器2、3在X射线自由电子激光脉冲1的作用下产生电压信号，电压信号通过多路高速数据采集系统10进行信号采集，并将采集到的电压信号转换为数字信号。
多路高速数据采集系统10为高速ADC系统，具有大于1GHz的数据采样能力。
多路高速数据采集系统10由X射线自由电子激光触发系统9触发开始执行；多路高速数据采集系统10为每次采集的信号赋予X射线自由电子激光脉冲的唯一编号标记。
位置分析及事件主动触发系统12用于分析多路高速数据采集系统10采集到的数字信号，计算获得两套单脉冲位置探测器2、3测得的X、Y方向的位置，对两个位置数据与设定的条件进行判断。如果判断结果为真发送事件主动触发信号，事件主动触发信号发送给实验触发及探测系统11。
样品点位置探测器6可以采用康普顿背散射方法的探测器，同时测试X射线和可见光激光位置，样品点位置探测器6可以实现0.5微米以下的位置探测精度。
实验触发及探测系统11包括实验触发系统和探测系统。所述实验触发系统用于触发泵浦激光及辅助准直激光8；所述实验触发系统触发探测系统工作。实验触发系统受到位置分析及事件主动触发系统12控制其开始工作，同时受到自由电子激光同步触发系统9控制使其按照设置延时触发泵浦激光及辅助准直激光8、探测系统工作。
自由电子激光同步触发系统9与自由电子激光脉冲信号锁定，同步精度小于30fs。
泵浦激光及辅助准直激光8包括泵浦激光和辅助准直激光。所述辅助准直激光与泵浦激光同光路，在样品点位置与泵浦激光位置重合精度好于光斑尺寸的10％。
衰减器4用于衰减X射线自由电子激光，可以是气体衰减器也可以是固体衰减器。
聚焦镜5用于将X射线自由电子激光聚焦到样品点。
本发明提供的一种X射线自由电子激光事件主动触发方法，采用前文所述的系统，包括以下步骤：
步骤S1：将X射线自由电子激光用衰减器4衰减到样品点位置探测器6可接受范围，既不会损伤也可以有很高的信噪比；
步骤S2：单脉冲位置探测器2、3处于工作状态，多路高速数据采集系统10采集单脉冲位置探测器2、3数据并赋予自由电子激光脉冲的唯一编号标记，多路高速数据采集系统10受到自由电子激光同步触发系统9触发；
步骤S3：样品点位置探测器6放置在样品点处，该位置灵敏探测器探测泵浦激光的辅助准直光位置，也可以探测X射线自由电子激光位置；
步骤S4：X射线自由电子激光关闭，泵浦激光的辅助准直光打开，采集样品点位置探测器6的信号，计算泵浦激光的辅助准直光位置；
步骤S5：打开自由电子激光，关闭泵浦激光的辅助准直光，多路高速数据采集系统10采集样品点位置探测器6的信号，计算自由电子激光的位置，所有数据赋予自由电子激光唯一编号标记；同时步骤S2在持续执行；
步骤S6：位置分析及事件主动触发系统12通过步骤S2、步骤S4、步骤S5测得的四个位置信息，判断泵浦激光的辅助准直光位置与样品点自由电子激光位置重合，通过自由电子激光脉冲的唯一编号标记建立位置重合时与单脉冲位置探测器数据的关联关系；
步骤S7：根据步骤S6获得的关联关系，实验允许的位置误差设置位置分析及事件主动触发系统12的判断条件；
步骤S8：移除衰减器4，确认单脉冲位置探测器2、3，多路高速数据采集系统10，位置分析及事件主动触发系统12正常工作；
步骤S9：当位置分析及事件主动触发系统12发出触发信号，则实验触发及探测系统11等待自由电子激光同步触发系统9下一个同步触发信号，触发泵浦激光发光、探测系统工作。
Claims (7)
1.一种X射线自由电子激光事件主动触发系统，其特征在于，包括两套单脉冲位置探测器、一套样品点位置探测器、X射线自由电子激光同步触发系统、多路高速数据采集系统、位置分析及事件主动触发系统、实验触发及探测系统、泵浦激光及辅助准直激光、衰减器及聚焦镜；
两套单脉冲位置探测器分别放置在自由电子激光光束线中两个相隔一定距离的位置，两套单脉冲位置探测器之间无其他光学元件；单脉冲位置探测器在X射线自由电子激光脉冲作用下产生电压信号，电压信号通过多路高速数据采集系统进行采集后转换为数字信号；
多路高速数据采集系统由X射线自由电子激光同步触发系统触发开始执行；多路高速数据采集系统为每次采集的信号赋予X射线自由电子激光脉冲的唯一编号标记；
位置分析及事件主动触发系统用于分析多路高速数据采集系统采集到的数字信号，计算获得两套单脉冲位置探测器测得的X、Y方向的位置，对两个位置数据与设定的条件进行判断，如果判断结果为真则发送事件主动触发信号，该事件主动触发信号发送给实验触发及探测系统；
实验触发及探测系统包括实验触发系统和探测系统，所述实验触发系统用于触发泵浦激光及辅助准直激光；所述实验触发系统触发探测系统工作，所述实验触发系统在位置分析及事件主动触发系统控制下开始工作，同时受到自由电子激光同步触发系统控制使其按照设置延时触发泵浦激光及辅助准直激光、探测系统工作；
自由电子激光同步触发系统与自由电子激光脉冲信号锁定，同步精度小于30fs；
泵浦激光及辅助准直激光包括泵浦激光和辅助准直激光，辅助准直激光与泵浦激光同光路，在样品点位置与泵浦激光位置重合精度好于光斑尺寸的10％；
衰减器用于衰减X射线自由电子激光；
聚焦镜用于将X射线自由电子激光聚焦到样品点。
2.如权利要求1所述的一种X射线自由电子激光事件主动触发系统，其特征在于，所述单脉冲位置探测器为金刚石位置探测器或康普顿背散射位置探测器。
3.如权利要求1所述的一种X射线自由电子激光事件主动触发系统，其特征在于，所述单脉冲位置探测器具有小于5微米的位置探测精度，两套所述单脉冲位置探测器之间间隔大于200米。
4.如权利要求1所述的一种X射线自由电子激光事件主动触发系统，其特征在于，所述多路高速数据采集系统为高速ADC系统，具有大于1GHz的数据采样能力。
5.如权利要求1所述的一种X射线自由电子激光事件主动触发系统，其特征在于，所述样品点位置探测器采用康普顿背散射方法的探测器，同时测试X射线和可见光激光位置，所述样品点位置探测器可以实现0.5微米以下的位置探测精度。
6.如权利要求1所述的一种X射线自由电子激光事件主动触发系统，其特征在于，所述衰减器为气体衰减器或固体衰减器。
7.一种X射线自由电子激光事件主动触发方法，其特征在于，采用权利要求1所述的系统，包括以下步骤：
步骤S1：将X射线自由电子激光用所述衰减器衰减到所述样品点位置探测器可接受范围，既不会损伤也可以有很高的信噪比；
步骤S2：所述单脉冲位置探测器处于工作状态，多路高速数据采集系统受到所述X射线自由电子激光同步触发系统触发，所述多路高速数据采集系统采集单脉冲位置探测器数据并赋予自由电子激光脉冲的唯一编号标记；
步骤S3：所述样品点位置探测器放置在样品点处，该样品点位置探测器探测泵浦激光的辅助准直激光位置，也可以探测X射线自由电子激光位置；
步骤S4：X射线自由电子激光关闭，泵浦激光的辅助准直激光打开，采集样品点位置探测器的信号，计算泵浦激光的辅助准直激光位置；
步骤S5：打开自由电子激光，关闭泵浦激光的辅助准直激光，多路高速数据采集系统采集样品点位置探测器的信号，计算自由电子激光的位置，所有数据赋予自由电子激光唯一编号标记；同时步骤S2在持续执行；
步骤S6：所述位置分析及事件主动触发系统通过步骤S2、步骤S4、步骤S5测得的四个位置信息，判断泵浦激光的辅助准直激光位置与样品点自由电子激光位置重合，通过自由电子激光脉冲的唯一编号标记建立位置重合时与单脉冲位置探测器数据的关联关系；
步骤S7：根据步骤S6获得的关联关系，按照实验允许的位置误差设置位置分析及事件主动触发系统的判断条件；
步骤S8：移除衰减器，确认单脉冲位置探测器、多路高速数据采集系统、位置分析及事件主动触发系统正常工作；
步骤S9：当位置分析及事件主动触发系统发出触发信号，则实验触发及探测系统等待自由电子激光同步触发系统下一个同步触发信号，触发泵浦激光发光、探测系统工作。
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