超高亮度X射线自由电子激光物理研究

发布时间：2020-10-17 10:09

　　 基于束缚态电子的传统激光器受跃迁能级的影响,目前很难产生X射线波段的激光,而基于自由电子穿过周期性波荡器产生的自由电子激光(FEL)不受此限制。因此,自1976年以来,自由电子激光的概念提出以来,FEL得到了飞速的发展,到2009年,世界第一台硬X射线自由电子激光装置LCLS建成,标志着自由电子激光技术已经从发展到成熟。鉴于X射线自由电子激光将来在科学与技术中的广泛应用,各国正在加紧建设XFEL装置。由于目前,XFEL装置大多工作在高增益SASE模式,但是该模式依然存在一定的问题,值得进一步的深入的研究。因为SASE-FEL起源于电子束的局域噪声,导致最后输出的辐射脉冲中包含很多纵模,即光谱中有许多毛刺,造成光谱亮度下降。为了提高XFEL辐射脉冲的光谱亮度以及相干性,科学家进行了广泛的探索与研究,提出了多种方案。例如:基于外种子激光的高增益高次谐波方案(HGHG)和回声谐波放大方案(EEHG);基于光学的办法,即通过晶体单色器过滤自身的光谱,选出单色X光放大的方案(self-seeding);基于FEL中电子束与辐射脉冲间的滑移效应,提出的高亮度SASE方案(HB-SASE)等等。本论文研究的问题就是针对目前高增益XFEL中存在的问题展开的,即如何提高高增益XFEL的光谱亮度以及其相干性,使XFEL有着更广泛的适用范围。由于基于外种子激光方案的HGHG,受电子束能散的限制,单级谐波转换次数不高(大约在15次左右),很难产生短波长的辐射脉冲。而EEHG可以产生高次谐波,我们研究使用单级EEHG产生150次的谐波辐射,着重研究了150次谐波的高阶模式,以及非相干辐射(ISR)、相干辐射(CSR)和电子束内散射(IBS)对EEHG-FEL群聚因子的影响,通过数值模拟验证,获得了1.77nm的高亮度、全相干的软X射线FEL脉冲输出,为将来的超高次EEHG实验做出指导。此外,为了克服单级HGHG谐波转换次数较低,以及级联HGHG输出脉冲稳定性的问题,获得高亮度、全相干、短脉冲的水窗波段FEL,我们提出了新的FEL运行模式HB-HGHG,该方案首先使用相干辐射(CHG)产生高次谐波相干信号,然后通过新鲜束团技术,将辐射脉冲滑移放大,最后获得的高亮度、全相干、短脉冲水窗波段的FEL的功率可以比级联HGHG或者EEHG高一个数量级。由于目前产生XFEL的电子束能量较高,造价昂贵,为了降低电子束的能量,同时保证软X射线FEL的功率不减。提出了基于外种子激光的谐波运行模式CHG-HL来降低电子束的能量。该方案首先使用CHG产生短波长、全相干的高次谐波信号,然后该信号作为共振在第二级波荡器的谐波上,通过新鲜束团技术滑移放大,我们研究了0.84GeV的电子束,使用CHG产生90次谐波,最终获得了功率为1.2GW,波长为3nm的高亮度、全相干软X射线脉冲输出。我国即将建设超导高重复频率的硬X射线FEL装置(SCLF),但对于超导高重复频率的硬X射线自由电子激光,目前还没有合适的方案能够产生高重复频率、高亮度、全相干的硬X射线FEL。这是因为目前的self-seeding方案,由于晶体热负载等效应的影响,只能工作在低重复频率的模式,且辐射脉冲功率的抖动性较大。为了充分挖掘超导高重复频率XFEL的潜能,我们研究了HB-SASE的方案,该方案可以工作在高重复频率模式,但其中的延时装置会引入过大的色散,破坏电子束的群聚,影响XFEL的饱和,我们提出了新的逆序滑移的序列,更好的维持了电子束的群聚,使得HB-SASE能够在更短的距离内达到饱和,同时研究了新的磁压缩延时结构。此外,目前用于泵浦-探测实验的高亮度双色硬X射线脉冲在许多前沿的科学研究中变得越来越重要,我们基于欧洲自由电子激光装置(European XFEL),结合双色脉冲延时装置(SDL)用来调节双色脉冲的时间间隔,提出了四种时间可调的产生高亮度双色硬X射线FEL的方案。其中,使用硬X射线self-seeding的方案(HXRSS)结合可以两个方向同时旋转的晶体,可以获得双色脉冲中包含的光子数超过10~(11),使用新鲜束团技术可以获得双色脉冲间的硬X射线光子能量差达到1000eV,这些都为开展基于双色硬X射线脉冲的前沿科学问题研究提供了性能优异的工具。XFEL理论与实验的不断发展,将会为科学与技术带来不可估量的影响。
【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】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O434.1
【部分图文】：

图 1.1 振荡器型 FEL中可以看到，振荡器型 FEL 有三个部分组成：（1）率的直线加速器提供多次注入的电子束；（2）一节镜构成的光学谐振腔。波信号可以通过两种途径获得，一种是由传统的外的自发辐射提供；电子束会在波荡器中不断的放大百分之几（即电子束每次通过一节波荡器都是小信EL 被称为低增益 FEL 的原因。但这并不影响振荡器可以达到 GW 的水平），只要注入的电子束的个数模式能够在光腔中存在的模式足够的长，最终脉冲的(1 )Nout inP p

图 1.2 HGHG-FEL 装置结构图从图 1.2 中，我们可以看到 HGHG 装置主要由三部分组成：（1）首激光与电子束在调制段段波荡器相互作用产生正弦能量调制；（2）能量调制的电子束会经过一段短的色散段，进行密度调制，如果种子激能量调制的深度比电子束的能散大几倍则纵向流强在调制电子束波长产生谐波群聚分量；（3）经过密度调制的电子束，进入辐射段波荡器电子束的谐波上，为了进一步提高辐射功率，可以对波荡器进行 tapHG 原理验证的实验在 2000 年完成[46]。单级 HGHG 的谐波转换次数主要受能量调制影响，这是因为当外种子束做能量调制会引入附加能散，引入能散 的最大值不能超过FEL 电子束获得的能散，否则，电子束在辐射段只能发出相干辐射信号，没有指数增益过程。由于受电子束能散的影响，单级 HGHG 谐波转换

图 1.3 EEHG 装置结构图 1.3 中，可以看出 EEHG-FEL 的方案由两级调制段与色散段级调制段与色散段将电子束在纵向相空间拉成条带结构，第二级作在 HGHG 模式，将第一级调制段电子束细微的条带结构转换上群聚（激光的波长为基波），然后电子束通过辐射段波荡器实验方面，2010 年 SLAC 的 NLCTA 装置首次观察到了 EEHG 3,52]；2012 年，上海应用物理研究所的 SDUV 上首次观测到了 数放大[53]；到了 2016 年，SLAC 的 NLCTA 上观测到了 EEHG ，55]。一条为了克服单级 HGHG 谐波转换次数较低的方案，由 H于 2013 年提出，即相位聚合型 FEL（PEHG）[56,57]，该方案的：
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本文编号：2844640