结构动力学线站是一条插入件线站，主要聚焦于增材制造、动态加载等不可逆过程的超快时间分辨原位、实时动态表征。在同步辐射相衬成像（PCI）、衍射和散射实验方法的基础上，结合超快时间分辨技术，研究先进材料从制造到服役全周期过程中的动态变形、微观缺陷和组织演变规律。线站采用两台短周期CPMU，在高能量区间保证超高的单发强度，实现最高420ps时间分辨和最高50nm的时空分辨的多尺度表征手段。

学科领域：

增材制造、工程材料、行星科学、冲击动力学

科学应用：

l  l  高能量密度物理：高功率激光驱动材料极端条件相变研究及高压状态方程；

l  l  先进材料的动态加载：气炮、霍普金斯杆、原位拉伸疲劳等装置所提供的全应变率加载条件下的材料变形、疲劳和失效行为；

l  l  增材制造过程的原位实时表征：激光和电子束增材制造过程中的微观组织及缺陷的产生和演变规律等等。

实验方法：

时间分辨X射线衍射

时间分辨X射线相位衬度成像

时间分辨X射线散射

时间分辨X射线纳米成像

【主要参数Specifications】

【线站设备Equipment Availability】

动态冲击系统

多种动态加载装置能让用户获得高达 5 km/s 的广泛冲击速度范围。广泛的速度范围和冲击材料能使用户自主选择所需的应力和脉冲持续时间。特殊设计的窗口能够保证X射线的穿透诊断。动态加载装置安装在全自动运动控制系统上，能够调整样品表面相对于X射线束方向的角度。安装在炮管、冲击室和样品处的光学电学触发装置能够实现X射线脉冲和设备的精确同步。

可用设备

►霍普金森拉/压杆（SHTB/SHPB）：12.7 mm直径，氮气驱动，300-3000 s^-1应变率；

►垂直一级轻气炮：竖直向上发射，20mm口径，氮气/氦气驱动，最高速度600 m/s，约1小时一次实验；

►水平一级轻气炮：20mm口径，氮气/氦气驱动，最高速度1.2 km/s，约0.5小时一次实验；

►水平二级轻气炮-1：20mm口径，氮气/氦气驱动，最高速度4 km/s，约2小时一次实验；

►水平二级轻气炮-2：20mm口径，氮气/氦气驱动，最高速度5 km/s，约2小时一次实验；

霍普金森杆提供应变片与应变仪测量杆上实验的波形；炮管处提供磁测速/光测速测量子弹速度；同时提供测速系统测量气炮实验样品后自由面速度曲线。

激光加载系统

为了实现更高应变率的加载，SDB提供激光加载设备，包括一个用于放置驱动激光器的洁净间，以及一个激光加载专用靶室。该靶室配备了带有电动位置控制的样品靶架、供诊断设备使用的大型窗口，以及用于精确定位驱动激光焦斑的电动光学器件。利用单个X射线脉冲，可对动态压缩下的靶材进行 X 射线衍射 “快照” 测量。驱动激光器和诊断设备与储存环射频时钟同步，以确保 X 射线脉冲、驱动激光器和诊断测量之间精确的相对时序。

百焦耳激光加载设备

►激光系统可在靶材上输出高达 100 J 的能量，激光能量连续可调；

►靶材上的固定波长为 1053 nm基频；

►聚焦在靶材上形成“平顶” 空间分布，可从 300、500、1000 μm 直径中选择；

►灵活的脉冲形状控制，脉冲持续时间为 3-10 ns，可提供三角波、方波、高斯波形等，可添加预脉冲；

►每次运行SDB提供多种标准脉冲形状，详情可咨询联系线站人员。旨在维持烧蚀层中的恒定应力；

►用户可申请其他脉冲形状，但需提前3个月申请；

►不破真空条件下每一分钟一次激光加载，若破除真空则每半个小时一次激光加载；

►具有高重复性；

线站同时提供线VISAR等测速系统测量实验样品后自由面速度曲线。用户准备的实验材料必须预先申请经线站人员审核批准。

增材制造系统

-激光定向能量沉积（L-DED）

激光波长：915 nm

激光功率范围：0-2000 W

最小光斑尺寸：87 μm

运动：样品台、激光加工头都可实现三维运动

送粉系统：四路同轴Ar载气送粉

保护氛围：氩气、氮气、氦气等惰性气体环境

-激光粉末床熔融成型（L-PBF）（未改造完）

激光波长：1070 nm

激光功率范围：0-700 W

最小激光光斑尺寸：待测

粉末床厚度：自由可调

粉末床结构：‘三明治‘结构，即玻璃碳-样品-玻璃碳

其他功能：预热、超声波

样品尺寸：样品夹具正在重新设计

粉末：根据实验所需用量准备

气动悬浮装置

气动悬浮装置（Aerodynamic levitation apparatus）：气动悬浮装置是一种无容器状态下的激光加热装置，用于研究材料在悬浮条件下的熔化和结晶行为。

激光波长：10.6 μm

激光功率范围：0-200 W

最小光斑尺寸：待测

运动：样品台可实现二维运动

气体：氩气、氮气、氦气等惰性气体

粒子侵彻装置

激光诱导粒子侵彻测试（Laser-induced particle incursion testing (LIPIT)）：激光诱导粒子侵彻测试是一种高速度高应变微区动态加载手段，用于研究材料在高速微米尺寸的单颗粒冲击下的应变和耗能行为。粒子尺寸：10-100μm，粒子速度：10-1000m/s。

【探测器 Detectors】

结构动力学线站实验方法较多，有成像、散射和衍射，为满足不同实验方法的需求，实验站需要配备不同性能特点的探测器。鉴于线站专注在不同时空尺度的，动态非可逆过程的原位研究，必须配置高帧频读出的探测器。根据实验需求使用不同的探测器，能够使实验效果得到更好的保证。结构动力学线站探测器列表如下：

【实验前准备 Before your experiment】

建议用户提前与线站工作人员沟通样品制备和实验方案，确保实验可行。

-确认X光模式（单色光、白光、单脉冲）

-确认实验方法（动态成像、动态衍射、动态散射、纳米成像）

-确认空间分辨率、时间分辨率；

-自带原位设备是否在实验站适用；

-如有特殊水电气要求，请提前与线站人员联系。

【实验中注意事项During your experiment】

-用户自带设备如需接入光源的水路、电路等，请务必联系当天工艺组值班人员，现场操作，确认安全。

-务必确保设备的安全，并且在线站安装和操作自带设备时要小心谨慎，以免引起束线设备的故障，影响线站正常运行。

-在线站实验过程中实验人员须全程佩戴用户卡和剂量卡。

-严格遵守各类实验操作规程，服从线站值班人员安排。

-实验过程中，保证至少有一名实验人员在线站。

-实验区域禁止饮食。

-使用辅助实验设施需告知线站人员，无使用经验者需接受培训，使用完毕做好记录。

-保证在分配的机时内结束实验，以保障后续用户的正常实验。

-实验结束后保证样品带走并做好线站的卫生、整洁工作，且保证能及时清理废料垃圾。

【样品制备Sample Preparation】

结构动力学线站主要以动态衍射和成像技术方法为主，不同的实验目的和方法对样品的要求不尽相同。

霍普金森杆实验：

压杆实验所需固态样品直径应小于波导杆直径（12.7 mm），拉杆实验所需样品可参考国标GB6397-86。12.7mm拉杆参考试样图纸如下：

气炮实验：

固态气炮样品直径应小于气炮口径（20 mm），比如飞片直径19 mm，样品直径18 mm。特殊材料如液体材料请与线站负责人联系。

激光加载实验：

百焦耳激光加载实验样品通常为薄片金属箔，所需厚度需要根据实验设计，经过流体辐射动力学模拟计算。样品表面应镀有Kapton、Parylene膜等材料的烧蚀层。具体设计请与线站人员联系。

增材制造实验：

-激光定向能量沉积（L-DED）

样品尺寸：15*0.5*10 （长*厚*高）；不同材料体系的厚度不同，大概参考：镍基、不锈钢等重材料体系<0.5 mm，钛基等0.5-1mm，铝等轻材料体系<2mm；具体厚度请与线站负责人联系

粉末：根据实验所需用量准备

-激光粉末床熔融成型（L-PBF）（未改造完）

样品尺寸：样品夹具正在重新设计

粉末：根据实验所需用量准备

气动悬浮实验：

样品尺寸：1-3mm，重20-50kg

粉末：根据实验所需用量准备

粒子侵彻实验：

如图所示，针对不同形态的样品设计了三类加持结构，分别适用于薄膜、丝线和块体样品，薄膜和丝线样品通过粘贴固定在支撑架上，块体样品通过螺杆下压被固定。加持结构具有正交的开孔（孔直径分别为5mm、7mm），分别用于X光通过和位置对准观察窗。

【数据收集与处理Data Acquisition】

数据处理软件：

动态衍射、散射数据处理方面：Daisy-PDF可实现从原始二维衍散射数据到局域结构信息的批量获取。