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上海光源XAFS实验站高速数据采集系统的研究与开发

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上海光源XAFS实验站高速数据采集系统的研究与开发

作者：顾颂琦上海交通大学

学位级别：硕士

上海同步辐射装置(Shanghai synchrotron radiation facility,简称SSRF)是国内第一台先进的第三代同步辐射装置。首批开放的七条线站之一的X射线吸收精细结构谱学(XAFS)实验站,是上海同步辐射装置中涵盖学科最广、用户较多的光束线站。X... 详细信息

上海同步辐射装置(Shanghai synchrotron radiation facility,简称SSRF)是国内第一台先进的第三代同步辐射装置。首批开放的七条线站之一的X射线吸收精细结构谱学(XAFS)实验站,是上海同步辐射装置中涵盖学科最广、用户较多的光束线站。XAFS是研究材料局域结构的一种重要分析方法,它能获得吸收原子周围的几何和电子结构信息,用于表征样品的结构和特性。近年来,开展时间分辨XAFS实验方法的需求逐年增多,特别在能源材料领域。常规模式下采集一个完整的吸收谱大约需要20分钟到1小时,这种采谱方式可以获得较高信噪比的实验数据,以满足大部分用户的实验需求。但是由于采谱时间较长,对于观测秒量级的短时间反应体系的进程是不利的。因此,开发一个高速数据采集系统,有利于减少同步辐射光对样品的损伤,有利于催化和环境领域开展具有时间分辨的科研工作。本文保留了上海光源XAFS实验站的重要硬件设备,兼容现有的普通模式XAFS扫描,适量改造关键硬件和系统软件,开发了基于lab VIEW的用户友好界面。使用标准样品和实验样品对整个系统进行离线测试和在线测试,测试结果表明所开发的系统是一个具有时间分辨的稳定和可靠的高速数据采集系统,达到了预期的目标。本文的主要工作包括:1.系统可行性分析和方案设计。针对实验站现有的硬件情况,分析了单色器、电离室、电流放大器和数据采集卡的稳定性指标和响应速度,确定可以建立一个稳定的秒量级的高速数据采集系统。整体设计方案是保留重要硬件设备的基础上,增加高速数据采集卡来实现目标系统。2.硬件选型和设备调试。根据系统高速性、同步性和兼容性的要求,进行了数据采集设备的选型,确定了PXI系统的硬件方案。在lab VIEW软件上进行了单个设备和同步触发的调试。3.软件设计和采集程序编写。针对lab VIEW软件界面友好、操作简便、开发周期短等特点,采用其作为数据采集的开发环境和用户界面。比较不同的数据共享方式,确定使用lab VIEW的DSC模块来实现EPICS和lab VIEW两个系统的数据共享。4.系统测试和用户实验。整个系统搭建完毕后,对于系统的参数设置、稳定性、重复性、信噪比进行测试,确定最优方案。此外,利用用户样品进行了时间分辨实验。实践表明开发了一个具有时间分辨的稳定和可靠的高速数据采集系统,达到了预期的目标。

关键词：上海光源 XAFS labVIEW 高速数据采集

上海光源BL14W1线站透射XAFS数据采集系统升级

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核技术 2022年第7期45卷 27-35页

作者：刘泓舟李季顾颂琦苏晓智梅丙宝姜政刘志上海科技大学上海201210 中国科学院上海应用物理研究所上海201800 中国科学院大学北京100049 中国科学院上海高等研究院上海光源科学中心上海201204

X射线吸收光谱(X-ray Absorption Spectroscopy,XAS)在材料科学、生物学、化学等领域有着广泛的应用。为了提高上海光源BL14W1光束线站同步辐射X射线吸收精细结构谱(X-ray Absorption Fine Structure spectroscopy,XAFS)的透射数据采集... 详细信息

X射线吸收光谱(X-ray Absorption Spectroscopy,XAS)在材料科学、生物学、化学等领域有着广泛的应用。为了提高上海光源BL14W1光束线站同步辐射X射线吸收精细结构谱(X-ray Absorption Fine Structure spectroscopy,XAFS)的透射数据采集的效率,搭建了基于分布式数据采集节点和XAFS测试多样品架的数据采集系统。分布式数据采集节点采用了集成式设计,开放了底层系统,能够直接获取电压信号和编码器信号,并具有体积小、噪音小、成本低、易于维护等优点;XAFS测试多样品架提供了12个样品孔位,并可以远程控制其孔位切换。将两个硬件设备相结合搭建出新型数据采集系统,并提供了多样品自动筛选采谱的功能。采用LabVIEW编写的新数据采集系统与自动筛选采谱程序实现了多样品XAFS的自动筛选及高信噪比自动采集,大大提高了数据采集的效率,为整个线站的运行带来采谱效率大幅提高、成本降低、维护难度降低、占用空间减小等多方面的提升。

关键词：同步辐射数据采集 X射线吸收精细结构谱 LabVIEW

基于LabVIEW的高能量分辨谱仪数据采集系统

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核技术 2017年第10期40卷 7-12页

作者：顾颂琦段佩权张硕姜政黄宇营李炯中国科学院上海应用物理研究所嘉定园区上海201800

在上海光源BL14W1线站,成功搭建一套基于Lab VIEW的高能量分辨谱仪运动控制和数据采集系统,该光谱仪系统可以实现高能量分辨荧光探测X射线吸收谱(High Energy Resolution Fluorescence Detected X-ray Absorption Spectroscopy,HERFD-XAS)、X射线发射谱(X-ray Emission Spectroscopy,XES)和共振X射线发射谱(Resonant X-ray Emission Spectroscopy,RXES)等主要实验功能,分辨率达到亚电子伏。硬件系统采用上海光源统一的VME运动控制硬件系统和硅漂移固体探测器;软件系统采用Lab VIEW编写用户操作界面,利用DSC(Data logging and Supervisory Control Module)模块实现与运动控制使用的实验与物理工业控制系统(Experimental and Physics Industrial Control System,EPICS)系统的数据交换。利用基于该运动控制和数据采集系统的光谱仪,开展了Mn化合物和Th O2锕系化合物的实验。结果表明,该系统可以满足高能量分辨率实验的需求。

关键词：同步辐射高能量分辨谱仪 LabVIEW 运动控制数据采集

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基于DCM的QXAFS数据采集与控制

核技术 2015年第5期38卷 1-7页

作者：周永年张招红刘平顾颂琦姜政李勇平郑丽芳中国科学院上海应用物理研究所张江园区上海201204 中国科学院大学北京100049

快速扫描X射线精细结构谱(Quick-scanning X-ray Absorption Fine Structure,QXAFS)是测定特定吸收原子近邻环境结构的一个强有力的工具,已广泛应用在固体物理、催化剂和蛋白质分子等领域。双晶单色器(Double Crystal Monochromator,DCM... 详细信息

快速扫描X射线精细结构谱(Quick-scanning X-ray Absorption Fine Structure,QXAFS)是测定特定吸收原子近邻环境结构的一个强有力的工具,已广泛应用在固体物理、催化剂和蛋白质分子等领域。双晶单色器(Double Crystal Monochromator,DCM)是上海光源XAFS光束线站的关键设备,它能够将一定波长范围内的白光单色化,并将单色光束稳定出射至下游光学元件。上海光源XAFS光束线站数据采集程序是在Lab VIEW环境下开发的,而其采用了步进电机的DCM控制系统则采用了基于分布式控制的实验物理及工业控制系统(Experimental Physics and Industrial Control System,EPICS)。由于运行环境不同,两者在装置联动时不可避免存在网络延时的缺陷并使得XAFS谱发生变形和不连续的问题。在EPICS环境下产生硬件触发信号并用其同步采集电离室和步进电机的信号,实现QXAFS数据的实时采集与控制。对标准铜箔样品进行了实验测试,结果表明该方法不仅可以保证系统获得较高的信噪比,而且可以在小于8 s的时间内获取一个完整的QXAFS谱,在小于500 ms时间内获得一个近边结构谱。该系统的实现对上海光源开展快速时间分辨的QXAFS实验具有重要的应用意义。

关键词：快速扫描X射线精细结构谱实验物理及工业控制系统双晶单色器上海光源

上海光源XAFS光束线高次谐波抑制镜系统研制

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核技术 2009年第10期32卷 729-732页

作者：傅远薛松魏向军姜政顾颂琦陈明黄宇营余笑寒中国科学院上海应用物理研究所上海201800

讨论了上海光源(SSRF)XAFS光束线高次谐波抑制镜箱的研制。高次谐波抑制镜箱为XAFS实验提供高纯度光谱,主要机械结构包括镜子夹持机构、平移切换机构、三点调整机构。在机构设计中进行了分析与计算。根据测试获得的摇摆曲线对高次谐波... 详细信息

讨论了上海光源(SSRF)XAFS光束线高次谐波抑制镜箱的研制。高次谐波抑制镜箱为XAFS实验提供高纯度光谱,主要机械结构包括镜子夹持机构、平移切换机构、三点调整机构。在机构设计中进行了分析与计算。根据测试获得的摇摆曲线对高次谐波抑制镜箱性能进行评估。

关键词：高次谐波抑制平移切换三点调整摇摆曲线

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两种A/D转换数据采集系统的研究

实验室研究与探索 2016年第9期35卷 144-147,226页

作者：顾颂琦姜政黄宇营翁正新上海交通大学自动化系上海200240 中国科学院上海应用物理研究所上海201204

在直接型A/D转换数据采集系统的基础上,开发了电压频率变换型的间接型A/D转换数据采集系统。在两者性能对比分析的基础上,进行了对比实验和XAFS实验图谱质量分析,结果是间接型A/D转换系统积分特性更适合普通的XAFS谱数据采集,而直接型A/... 详细信息

在直接型A/D转换数据采集系统的基础上,开发了电压频率变换型的间接型A/D转换数据采集系统。在两者性能对比分析的基础上,进行了对比实验和XAFS实验图谱质量分析,结果是间接型A/D转换系统积分特性更适合普通的XAFS谱数据采集,而直接型A/D转换系统的快速响应更适合快速XAFS谱数据采集。

关键词： A/D转换器数据采集系统 XAFS

基于Labview的XAFS光束线实验站数据采集系统

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核技术 2009年第4期32卷 246-250页

作者：邹杨顾颂琦姜政魏向军马静远黄宇营徐洪杰中国科学院上海应用物理研究所上海201204

本文介绍应用Labview软件、气体电离室、电流放大器及数据采集卡等仪器设备构成的同步辐射XAFS(X-ray absorption fine structure)光束线站(BL14W1)数据采集系统。该系统利用NI公司开发的新模块DSC module(Datalogging and Supervisory ... 详细信息

本文介绍应用Labview软件、气体电离室、电流放大器及数据采集卡等仪器设备构成的同步辐射XAFS(X-ray absorption fine structure)光束线站(BL14W1)数据采集系统。该系统利用NI公司开发的新模块DSC module(Datalogging and Supervisory Control Module),实现了在Labview和EPICS(Experimental and Physics Industrial Control System)两个软件系统间数据的快速交换,使光束线控制的标准化和实验站用途的多样化有机结合。用Labview编写了数据采集软件,使该线站成功实现步进(step-by-step)模式和快扫(QXAFS)模式下的XAFS谱的采集。

关键词：同步辐射 EPICS Labview DSC XAFS

用掠入射XAFS方法研究Ti/Ni/Ti纳米薄膜的界面结构

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核技术 2011年第7期34卷 489-493页

作者：于海生黄宇营魏向军姜政王建强顾颂琦张硕高星中国科学院上海应用物理研究所上海201204

在上海光源BL14W1线站建立了掠入射XAFS(GI-XAFS)方法,利用GI-XAFS方法并结合X射线反射(XRR)研究了直流磁控溅射方法生长在W/Si基底上的Ti/Ni/Ti纳米薄膜的界面结构随Ni层厚度的变化。结果表明,随着薄膜厚度的增加,Ni/Ti界面层间的相互... 详细信息

在上海光源BL14W1线站建立了掠入射XAFS(GI-XAFS)方法,利用GI-XAFS方法并结合X射线反射(XRR)研究了直流磁控溅射方法生长在W/Si基底上的Ti/Ni/Ti纳米薄膜的界面结构随Ni层厚度的变化。结果表明,随着薄膜厚度的增加,Ni/Ti界面层间的相互扩散有所增加,Ni层厚度为5 nm时,Ni/Ti界面层间的扩散厚度为2 nm左右;Ni层厚度为1 nm时,由于无序度较大,Ni-Ni配位和Ni-Ti配位的键长有所收缩;随着薄膜Ni层厚度的减小,无序度逐渐增加,Ni-Ti配位增加,Ni-Ni配位减少。

关键词：掠入射 X射线吸收精细结构(XAFS) Ti/Ni/Ti薄膜 X射线反射(XRR)

基于PILATUS探测器的von Hamos构型X射线发射谱谱仪及数据获取

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核技术 2022年第9期45卷 1-7页

作者：顾颂琦梅丙宝姜政黄宇营中国科学院上海应用物理研究所上海201800 中国科学院上海高等研究院上海201204 中国科学院大学北京100049

高能量分辨X射线发射谱(X-ray Emission Spectroscopy,XES)比常规X射线吸收精细结构谱(X-ray Absorption Fine Structure,XAFS)具有更高的能量分辨率,是探究物质精细电子结构的有力工具。PILATUS探测器是一种没有暗电流和读出噪声的单... 详细信息

高能量分辨X射线发射谱(X-ray Emission Spectroscopy,XES)比常规X射线吸收精细结构谱(X-ray Absorption Fine Structure,XAFS)具有更高的能量分辨率,是探究物质精细电子结构的有力工具。PILATUS探测器是一种没有暗电流和读出噪声的单光子计数探测器,基于该探测器,在上海光源BL14W1线站搭建了一套von Hamos构型XES谱仪及数据获取系统,能量分辨率达到eV量级,接近此类构型光谱仪的世界先进水平。该光谱仪采用PILATUS探测器作为位置灵敏探测器使用,并结合线站单色器和KOHZU平台系统开发了一套基于LabVIEW软件的XES数据获取系统。对光谱仪系统进行了能量分辨率测试和CuO发射谱测量实验,获得样品发射的能量为8046 eV弹性散射峰的半高宽(Full-Widthat Half Maximum,FWHM)为1.67 eV,表明基于PILATUS探测器的von Hamos构型XES谱仪系统可以满足高能量分辨实验的需求。

关键词： PILATUS 高能量分辨X射线发射谱 von Hamos 数据获取