X射线自由电子激光振荡器的理论研究

发布时间：2020-09-14 09:59

　　自上世纪初X射线被发现以来,它就以其在生物、物理、化学和医学上的巨大用途而受到广泛的关注,人们通过各种方法来产生X射线并提高它的亮度。2009年LCLS第一次产生硬X射线自由电子激光(XFEL)标志着人类进入了 X射线激光时代。LCLS的巨大成功激励着世界各国争前恐后的建设自己的X射线FEL装置。LCLS采用的自放大自发辐射(SASE)的运行模拟,它起源于电子束的噪声。其输出具有很好的横向相干性,但其纵向相干性和稳定性较差,如何提高SASE输出的性能一直是FEL研究的重要问题。本论文中主要研究的X射线FEL振荡器(XFELO)就是解决这个问题的重要方案之一,它可以输出峰值亮度与SASE可比、全相干、稳定的硬X射线。由于XFELO对试验条件要求较高,目前它还没有得到实验的验证。XFELO涉及到X射线的Bragg衍射、X射线在谐振腔内的传播和饱和区的FEL物理,其物理过程相对高增益FEL更为复杂,难以从理论上得到完整的解析。现在世界上流行的方法是利用数值模拟来分析,本文我们从理论分析和数值模拟角度对XFELO进行的研究。在理论分析上,本文建立了一个一维的XFELO模型,通过将高增益FEL中的电子束相空间分布函数引入低增益,可以通过解微分方程的方法理论上得到振荡器在饱和区的FEL增益。该方法将模拟时间由数星期降到了几分钟。在数值模拟上,我们利用X射线Bragg衍射的动力学理论,开发了首个可以进行三维X射线Bragg衍射的程序。该程序可以与Genesis和OPC紧密结合,实现XFELO的三维数值模拟。由于考虑到了三维光场的相位分布,该程序的出现将有利于对XFELO光学谐振腔稳定性的模拟,得到更加真实可信的模拟结果。利用该系列模拟软件的结合,我们对基于上海相干光源的XFELO进行了系统的优化与设计,该方案和设计流程对世界上其他FEL装置上的XFELO设计具有参考价值。为了提高XFELO的性能,充分挖掘其性能,本文试图将高增益FEL中已经相对成熟的技术和概念引进低增益FEL振荡器中。由于XFELO工作在FEL的低增益区间,电子束单次提供的增益较小。为了提高其电子束能量利用率,得到更强的FEL功率输出,我们提出了级联型XFELO和XFELO驱动的高亮度FEL方案。级联型XFELO通过在波荡器间插入电子束延迟装置,利用电子束不同部分在不同波荡器中发光,实现FEL的级联放大。其输出的X脉冲峰值功率和装置的整体效率都比传统XFELO方案有了明显的提升。XFELO驱动的高亮度FEL则是利用带有能量啁啾的电子束,实现在XFELO内及后加的FEL放大器内的分部分发光、级联放大,最后可以实现TW量级峰值功率的输出。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O434.1
【部分图文】：

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ｓｅｅｄ邋丨咖？逡逑ｃｈｉｃａｎｅ邋■逡逑图１．３邋ＨＧＨＧ邋ＦＥＬ原理示意图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｖｉｅｗ邋ｏｆ邋ＨＧＨＧ邋ＦＥＬ逡逑ＨＧＨＧ工作在ＦＥＬ的氋增益区，图１．３为ＨＧＨＧ邋ＦＥＬ的原理示意图。它由逡逑调制器（ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）、色散段（ｃｈｉｃａｎｅ）和辅射段（ｒａｄｉａｔｏｒ）组成。在调制段中，逡逑波荡器的周期较长，利用种子激光对电子束在长波长上进行能量调整，之后在色逡逑散段内转换为密度调制，形成电子束的微团聚。下游的辐射段波荡器的周期较短，逡逑具有微团聚的电子束会在谐波上具有密度调制的分量从而在谐波上实现相干辐逡逑射。该方案的优点在于可以利用能量较小的电子束产生高频率波段的辐射，减小逡逑了装置的体积、降低了装置的造价。同时由于利用种子激光进行了调制，其输出逡逑光全相干且较稳定。缺点在于需要种子激光且谐波次数有限，难以推向更短的波逡逑长。为了解决这一问题

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＇ｉ逡逑图１．２振荡器ＦＥＬ原理示意图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｖｉｅｗ邋ｏｆ邋ＦＥＬ邋ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ逡逑１．２．２种子放大型ＦＥＬ逡逑种子放大型ＦＥＬ的特点是需要额外的种子激光先对电子束进行调制或是通逡逑过某种方式在前级先产生所需波长的种子激光。前者的代表方案有ＨＧＨＧ、逡逑ＥＥＨＧ、ＰＥＨＧ等。后者主要是通过纵向梯度波荡器（ｔａｐｅｒ）来匹配电子束的能逡逑量和光脉冲、波荡器的波长，以维持共振关系。逡逑ｍｏｄｕｌａｔｏｒ邋□逦ｒｉ逦ｒａｄｉａｔｏｒ逡逑ｓｅｅｄ邋丨咖？逡逑ｃｈｉｃａｎｅ邋■逡逑图１．３邋ＨＧＨＧ邋ＦＥＬ原理示意图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｖｉｅｗ邋ｏｆ邋ＨＧＨＧ邋ＦＥＬ逡逑ＨＧＨＧ工作在ＦＥＬ的氋增益区，图１．３为ＨＧＨＧ邋ＦＥＬ的原理示意图。它由逡逑调制器（ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）、色散段（ｃｈｉｃａｎｅ）和辅射段（ｒａｄｉａｔｏｒ）组成。在调制段中，逡逑波荡器的周期较长，利用种子激光对电子束在长波长上进行能量调整，之后在色逡逑散段内转换为密度调制，形成电子束的微团聚。下游的辐射段波荡器的周期较短，逡逑具有微团聚的电子束会在谐波上具有密度调制的分量从而在谐波上实现相干辐逡逑射。该方案的优点在于可以利用能量较小的电子束产生高频率波段的辐射，减小逡逑了装置的体积、降低了装置的造价。同时由于利用种子激光进行了调制，其输出逡逑光全相干且较稳定。缺点在于需要种子激光且谐波次数有限

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ＳＡＳＥ工作在ＦＥＬ的高增益范围内，它利用电子束本身的密度涨落形成初始逡逑的密度调制，并且利用电子束团后部分的辐射对前部分电子束进行调制。其装置逡逑示意图如图１．４，它只由一段长长的波荡器构成。在特定的波荡器内，电子束与逡逑某一个满足共振关系的波长的光相互作用后形成能量调制，不同能量的电子由于逡逑在波荡器中的路径不同从而逐渐趋近于在共振波长上形成微团聚，之后电子束又逡逑会相干辐射放大光场，这样形成辐射和密度调制间的正反馈。最后输出氋功率的逡逑ＦＥＬ脉冲。ＳＡＳＥ方案的优点是装置简单，只需要一段波荡器。缺点在于通过电逡逑子束自身与光场相互作用形成密度调制的过程较缓慢，需要波荡器较长。其次由逡逑于其起源于电子束的噪声，纵向相干性和稳定性都不好。逡逑ｕｎｄｕｌａｔｏｒ逡逑图１．４邋ＳＡＳＥ邋ＦＥＬ原理示意图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ｔｉｔｌｅ逡逑１．３自由电子激光的应用逡逑Ｘ射线自由电子激光的应用是由其特有的段波长、超短脉冲、超高强度、时逡逑空相干性的性质决定的。ＬＣＬＳ作为第一个硬Ｘ射线用户装置，在其运行的五年逡逑内做出了丰富的成果。极大的促进了原子、分子光学

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