自由电子激光中的尾波场效应研究

发布时间：2020-05-04 16:54

【摘要】：自由电子激光能够在太赫兹到硬X射线频率范围内产生高功率、相干性好、脉冲长度短的辐射脉冲。这些特性使得自由电子激光能够广泛应用到科学研究中,如原子/分子生物学、材料科学、催化工程以及医药科学等。对于一个自由电子激光装置而言,拥有低发射度、低能散、高峰值流强的高品质电子束团是非常有必要的。在束团经历直线加速器部分的加速阶段、压缩阶段和传输阶段时,纵向尾场引入的能量损失可以通过射频结构的反馈补偿。然而,当电子束团通过由小磁隙波荡器、复杂段间结构、以及各种功能的chicane等组成的波荡器系统时,尾场造成的能量损失会显著地降低束流品质和影响自由电子激光辐射过程。为了保证上海软X射线自由电子激光装置能够提供稳定的高通量辐射光,尾场效应的相关研究是不可忽视的一个重要问题。尾场效应从作用方式可分为三大类:含有电阻的波荡器真空盒产生的阻抗壁尾场、真空盒表面不够光滑引起的粗糙度尾场以及几何不连续性导致的结构尾场。在此背景下,本论文从SXFEL试验装置、用户装置的尾场计算和可能的测量方法两个方面出发,对尾场效应进行了较为深入的研究。对于SXFEL试验装置,本文首先借助数值模拟软件对椭圆形截面真空盒阻抗壁三维尾场进行了系统研究,为今后椭圆形截面真空盒尺寸设计提供指导。接着对比由理论解析式和数值模拟分别得到的不同情况下真空盒阻抗壁尾场,以及比较二维模拟软件和三维模拟软件所得几何结构尾场。通过比较发现,不论是理论和数值模拟结果,还是二维模拟和三维模拟结果,在一定程度上表现出良好的吻合性,因此,理论公式和二维模拟的代替可以大大缩短计算多种方案下的波荡器阻抗壁尾场、粗糙度尾场以及结构尾场所需运算时间,能够克服三维模拟网格数过多带来的限制,且能很好的贴近实际情况。为了确保电子束团的运行轨迹,工作在级联HGHG/EEHG模式下的波荡器系统因为束流检测设备和校准仪器的安装插入而变得非常复杂。对此通过采用划分模块的方法,得到的波荡器段总尾场可以从时间上和空间上分析其对自由电子激光的影响。在此基础上,经过模拟发现第一级44 nm自由电子激光输出不会受到尾场效应的影响,而0.8 MeV总的束流能量损失则会使第二级8.8 nm自由电子激光峰值亮度降低。SXFEL用户装置的一条用户线基于试验装置进行升级改造,除此之外的另一条基于SASE运行模式的波荡器分支线也会安装在隧道内,实现极高亮度的2 nm水窗波段脉冲输出。用户装置的尾场研究思路类似于试验装置,不同地是,通过采用从注入器到波荡器追踪模拟得到的真实束团分布,计算所得的尾场更加接近实际情况,且能更准确的分析尾场影响下的自由电子激光品质。经过模拟SASE用户线发现,沿波荡器系统总的4 MeV能量损失会使得FEL脉冲能量降至原来的七分之一左右,同时平均辐射功率以及频谱都有一定程度的降低。一般来说,自由电子激光品质的破坏可以通过调节波荡器磁场强度来补偿,且脉冲能量或辐射功率会随着补偿的增加而升高。同理,SXFEL试验装置及用户装置可以采用梯度技术方法来实现预期的自由电子激光,甚至进一步提高辐射效率。在尾场测量方面,本论文主要针对SXFEL用户装置SASE线展开数值模拟。由于开展短束团尾场测量模拟需要有较好的分辨率,因此本工作基于X波段射频偏转腔及弯转磁铁设计和优化用户装置束流诊断线。通过匹配优化束线磁聚焦结构,得到最佳时间分辨率约为6.6 fs。这种较好的分辨率在束团纵向相空间重构以及尾场测量模拟中都有很好的应用。以此为基础,通过数值模拟,我们重构出的纵向束团分布和相空间都能与初始情况得到一个很好的吻合。得益于用户装置波荡器磁隙可调性及采用微扰电子束团运动的方法,可以重构波荡器段的纵向尾场。不仅如此,利用该束流诊断线重构X射线脉冲时间分布也得到了很好的模拟验证,这将为自由电子激光测量提供了另外一种技术手段。本文工作重点在尾场数值模拟的研究,研究内容紧密结合了上海软X射线自由电子激光装置的工程实际。对SXFEL试验装置以及用户装置的设计、建设、调试有一定的应用价值。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TL53

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