X射線自由電子激光物理設(shè)計及新型電子束源研究.pdf

1、自由電子激光(FEL)具有波長連續(xù)可調(diào)(可達X射線波段)，可設(shè)計等新穎特性和高功率，高效率等潛在能力，在飛秒科學，生物分子結(jié)構(gòu)，納米科學等研究領(lǐng)域有廣泛運用前景。當前自由電子激光的研究正轉(zhuǎn)向短波長(X射線)，實用化，緊湊型方向發(fā)展，已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點。本文在中國國家自然科學基金及美國能源部DOE項目的資助下，對能產(chǎn)生X射線波長的自由電子激光幾類器件進行了深入、全面的研究，包括理論分析、數(shù)值編程和模擬研究，以及如何獲得高質(zhì)量的電子束

2、源的理論和實驗研究，對于X射線FEL理論研究的深化和實驗裝置的設(shè)計和改進具有重要的意義，取得了一批有價值的研究成果。主要研究內(nèi)容為：
　　1.利用粒子經(jīng)典理論建立 SASE(自放大自輻射)自由電子激光自洽方程組，編寫了穩(wěn)態(tài) Matlab-SASE-FEL數(shù)值計算程序，對輻射光場功率，飽和長度，聚束因子等特性進行了詳細的分析。此程序的主要優(yōu)勢在于基于Matlab的便利性可以很方便的進行后處理數(shù)據(jù)，為X射線FEL發(fā)展提供理論設(shè)計便利。

3、
　　2.利用光場的高斯赫米特源項展開法，推導相應(yīng) FEL方程，編制振蕩器穩(wěn)態(tài)FEL程序-Matlab-Oscillator code，探索振蕩器工作的穩(wěn)定區(qū)，并對鏡子的折射率，鏡子曲率半徑，腔體結(jié)構(gòu)等三維問題對振蕩器工作的影響，最終獲得穩(wěn)定工作的光腔結(jié)構(gòu)。最后將新程序與國際通用軟件Genesis進行了單Pass的SASE對比，符合很好。
　　3.概述HGHG FEL和EEHG FEL產(chǎn)生高次諧波的數(shù)理方法及優(yōu)缺點，并在國際

4、上首次采用雙振蕩器(Two oscillator system)產(chǎn)生高次諧波而生成X射線的物理設(shè)計，進而編制Matlab two-oscillator system code。研究了高次諧波產(chǎn)生隨Chicane-R56參數(shù)的變化關(guān)系及穩(wěn)定性研究。為了改善進入輻射段電子束能散，提出帶有 OK機構(gòu)的HGHG和EEHG創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，對其采用Ginger進行模擬優(yōu)化，顯著改善電子束能散。
　　4.對X射線FEL采用的電子束源的各種方案進行探討

5、，最終采用虛火花空心陰極放電這種特殊的放電方式進行了研究，利用PIC-MCC model進行了數(shù)值模擬，得出放電規(guī)律。最后在放電的實驗研究中測量到放電電流達到千安級別，放電電壓2000伏特。得到符合X射線自由電子激光基本要求的高電流強度和低能散的高質(zhì)量電子束源，降低了對束團長度壓縮系統(tǒng)的要求。
　　5.最后探索了可能采用的X射線FEL電子束源的產(chǎn)生機制-微空心陰極放電陣列理論研究，采用純流體理論對微空心陰極放電單個單元進行數(shù)值編程