【摘要】 本文详细介绍上海同步辐射设施新一代QEXAFS系统的技术创新、架构设计及性能优势，为时间分辨原位研究提供强大技术支撑。

技术概述与研究意义

快速扫描扩展X射线吸收精细结构（QEXAFS）技术作为一种强大的结构分析工具，在物理和化学反应过程的原子尺度时间分辨原位研究中发挥着关键作用。与复杂的能量色散XAFS技术相比，QEXAFS方法具有独特的优势：不仅能够在通用XAFS光束线上实现开发，还能与传统XAFS实验设备实现高度共享，大大降低了技术门槛和设备成本。

QEXAFS技术的核心价值体现在其短暂的数据采集周期、较低的辐射剂量需求、丰富的动力学信息获取能力以及对化学反应和相变机制的深入解析。这些特点使其在时间分辨研究领域占据重要地位，为材料科学、化学物理等前沿研究提供了强有力的技术支撑。

 

系统架构与技术创新

上海同步辐射设施（SSRF）在其通用XAFS光束线上成功开发了新一代QEXAFS系统，这一系统在硬件集成和软件控制方面实现了重要突破。

光束线工作模式设计

XAFS光束线提供两种工作模式以满足不同实验需求：

​聚焦模式下系统配置包括：

  • 准直镜组件：实现光束的初步准直

  • 液氮冷却双晶单色器（DCM）：确保能量选择的稳定性

  • 聚焦镜系统：提高光束密度和强度

  • 谐波抑制镜：消除高次谐波干扰

​非聚焦模式为常规实验提供更灵活的选择，两种模式的切换为用户提供了更广泛的研究可能性。

图1 聚焦模式下XAFS光束线示意图。

 

控制系统集成创新

SSRF光束线控制系统采用在国际同步辐射设施广泛应用的EPICS（实验物理和工业控制系统）平台。新一代QEXAFS系统通过创新的集成方案，成功解决了数据采集同步性的技术难题：

  • ​数据采集集成​：将数据采集系统与EPICS平台深度集成，消除时间差

  • ​硬件触发同步​：利用1MHz外部硬件触发信号实现扫描能量与探测器数据的精确同步

  • ​用户界面优化​：开发友好的图形用户界面（GUI），简化实验操作流程

 

核心组件与技术细节

Bragg电机控制系统

系统的核心控制部分采用先进的VME架构，具体配置包括：

  • MVME5500单板计算机提供强大的数据处理能力

  • 八轴电机控制器MAXv-8000实现精确定位控制

  • VxWorks实时操作系统确保控制响应的及时性

  • EPICS分布式控制系统提供整体协调管理

图2 QEXAFS系统（右侧）和Bragg电机控制系统（左侧）的示意图概述。

 

信号同步与处理机制

系统通过精密的信号分配方案实现各组件间的精确同步：

  • 控制脉冲通过专用接口（SLS2017和SLS2013）进行分配

  • 脉冲信号分为两路：一路控制Bragg电机，另一路作为标度器的输入

  • 每控制脉冲对应0.5μm的位移精度，系统稳定性经过严格验证

图3 SLS2013输出的控制脉冲信号有两个通道:一个通道用于CCD93-70步进电机驱动器控制DCM的Bragg电机，另一个通道用于标度器的输入信号。

 

性能验证与测试结果

通过对新系统的全面测试，研究人员获得了令人满意的性能数据：

信号质量评估

与传统QEXAFS系统相比，新系统在保持优异信噪比的同时，显著提高了能量分辨能力。测试数据显示，系统在不同积分次数条件下均能获得高质量的光谱数据，证明了其出色的稳定性。

系统同步性验证

通过示波器测量控制脉冲信号，验证了系统20个控制脉冲的精确计数，与标度器结果完全一致，证实了同步机制的可靠性。

重复性测试

长时间运行测试表明，系统具有良好的光谱重复性，为长时间原位研究提供了可靠保障。

 

技术优势与应用前景

显著技术优势

1.高时间分辨率​：快速扫描能力满足动力学过程研究需求

2.优异稳定性​：先进的控制系统确保长时间实验的可靠性

3.​用户友好性​：直观的图形界面降低操作难度

4.​系统兼容性​：与传统设备高度兼容，便于技术推广

科学研究价值

新型QEXAFS系统的成功实施对SSRF的用户研究具有重要意义：

  • 为材料相变过程研究提供有力工具

  • 支持化学反应动力学的原位观测

  • 促进能源材料、催化剂等前沿领域的发展

  • 为时间分辨研究开辟新的可能性

 

系统比较与技术创新点

与传统系统对比

与传统QEXAFS系统相比，新系统在以下方面实现显著改进：

  • 数据采集同步精度提升

  • 系统稳定性增强

  • 操作便捷性改善

  • 维护成本降低

创新技术特色

1.EPICS深度集成​：实现控制系统与数据采集的无缝衔接

2.​硬件级同步​：确保数据采集的时间精度

3.模块化设计​：提高系统的可维护性和扩展性

 

未来发展与应用拓展

技术升级方向

基于现有系统基础，未来可在以下方面继续优化：

  • 进一步提高时间分辨率

  • 扩展能量范围覆盖

  • 增强数据处理能力

  • 开发智能分析算法

应用领域拓展

新型QEXAFS系统有望在更多研究领域发挥作用：

  • 能源材料研究：电池充放电过程的原位观测

  • 环境科学：污染物转化机理研究

  • 生物材料：生物分子结构动态变化监测

  • 纳米技术：纳米材料生长过程实时追踪

 

结论

上海同步辐射设施成功开发的新型QEXAFS系统，通过创新的硬件集成和软件控制方案，解决了传统系统存在的时间同步问题，实现了优异的性能表现。该系统不仅保持了传统QEXAFS技术的所有优势，还在稳定性、易用性和可靠性方面实现显著提升。

这一技术成果将为SSRF的用户提供更强大的研究工具，推动时间分辨原位研究的发展，在材料科学、化学、物理等多个领域产生重要影响。随着系统的进一步完善和应用推广，预计将在基础科学研究和应用技术开发中发挥越来越重要的作用。

 

​参考文献

1.Zhou, Y.;  Gu, S.;  Zhao, Y.;  Jiang, Z.; Zhang, Z., A new QEXAFS system on the general XAFS beamline at the Shanghai Synchrotron Radiation Facility. Journal of Synchrotron Radiation 2022, 29 （6）, 1446-1453.

 

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