基于相干渡越辐射的亚皮秒级电子束长测量研究

发布时间：2020-08-01 17:11

【摘要】：上海X射线自由电子激光装置(SXFEL)作为第四代光源,同时具备高亮度、短脉冲、空间全相干、波长连续可调等一系列优点,在物理、化学、生命科学等诸多领域拥有广阔的应用前景。作为产生辐射的媒质,电子束团的峰值流强对自由电子激光的饱和输出至关重要。在实验中,为了得到理想的峰值流强,电子束团要经过一系列束团压缩器进行压缩,其长度往往在亚皮秒量级,甚至达到百飞秒以内。因此,在已知束团电荷量的情况下,束团长度测量是上海X射线自由电子激光装置实现稳定、饱和辐射输出的关键技术之一。本文详细调研了国际上顶尖自由电子激光实验室针对电子束长的主流测量手段,并决定采用基于相干渡越辐射(CTR)的测量技术对SXFEL装置的束团长度进行测量。在实现同样时间分辨率的情况下,与其它束团长度测量技术相比,CTR测量技术是一种更为简单经济的测量手段。本文首先系统研究了CTR束团长度测量技术的基本原理和电子束团纵向分布重建方法,通过利用标准红外光源对该测量系统进行标定,可以反解出束团形状因子,进而实现对电子束团纵向分布的重建,为进一步探索自由电子激光辐射新机制,比如HGHG,EEHG,积累技术储备。在此基础上,针对SXFEL装置的束流参数特点,设计了一套以迈克尔逊干涉仪和Golay Cell为核心元件的束团长度测量系统。理论和模拟分析显示,该测量系统的束团长度测量范围为:20fs-3ps,可以很好地满足SXFEL装置的测量需求。鉴于前述束团长度测量技术是一种多发、平均的束团长度测量手段,要求电子束流具有很好的稳定性,本文还针对基于CTR的束团长度单发测量技术进行了探讨,为SXFEL装置进一步发展单发、实时的束团长度测量技术作铺垫。紧接着,我们在SXFEL装置上搭建了测量系统,并进行了测量实验,成功实现了束团长度测量。为了验证该测量方案的可信度,我们利用束团压缩器的压缩比对测量位置处束团长度进行了估算。通过对比不同加速相位下束团长度的CTR实验测量值与理论估算值,证明了基于CTR实验的束团长度测量结果可靠性。另外还通过零相位法、偏转腔法对束团长度进行了测量研究,进一步验证了CTR实验结果。
【学位授予单位】：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
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TL506
【图文】：

到为利用同步辐射而专门建造的第二代同入件的第三代同步辐射光源，目前已经成为世界上应，同时也是数量最多的在线运行大规模科学装置。同、从红外到硬 X 射线的广阔频谱等优异特性，作为物理、材料科学、生命科学等基础研究领域得到了广的成功。过去几十年来，世界各国，尤其是发达国家建设第三代同步辐射装置以发展本国科技，例如美国hoton Source）、欧盟的 ESRF 装置（European Synchrot的 Sping-8 装置（Super Photon ring-8GeV）、中国的上F，Shanghai Synchrotron Radiation Facility）等。随着需要更高亮度、更短脉冲的光源，并对光源的空间相于电子存储环的尺寸，以及电子束团在储存环中非相辐射的亮度、脉冲时间、空间相干性等方面有所突破

第一章 绪论.1 对 SXFEL 自由电子激光装置的意义自由电子激光是利用优质相对论性电子束团在波荡器（Undu的光场或外种子激光相互作用，进而产生超强电磁辐射的装置多国家，尤其是发达国家，正在建设或已经建设完成短波长自在我国，由中国科学院上海应用物理研究所承担建设的上海光试验装置 SXFEL 已于 2016 年底出光，目前正在升级为用

图 1.3 德国 FLASH 装置 SASE 模式下的电子束团纵向相空间和纵向分布 SASE 模式产生的 FEL[25-26]，由于其纵向相干性极差，辐射功率带宽比较宽，严格意义上讲，并不是真正的激光。通过利用一束EL 高增益放大时的种子激光（seed laser），可以很大程度上提高 的时间相干性，并改善其光谱带宽。近十几年来，科学家们先后G和EEHG两种FEL辐射模式[27-30]。通过利用调制波荡器（Modu

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本文编号：2777754