高增益短波長(zhǎng)自由電子激光相關(guān)物理研究.pdf

1、高功率、短波長(zhǎng)自由電子激光,已成為現(xiàn)代科學(xué)研究越來越重要的工具,特別是相干X光源,將使自然科學(xué)的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)全新的領(lǐng)域。短波長(zhǎng)自由電子激光的基本運(yùn)行模式主要有Seeded FEL,和自放大自發(fā)輻射(SASE)兩種。但是這兩種模式都有各自的優(yōu)勢(shì)和缺陷:SASE可以達(dá)到X波段,但是其縱向相干性不佳,而Seeded FEL,雖然相干性很好,但是受種子激光波長(zhǎng)限制,目前很難達(dá)到硬X射線波段。目前,全相干的短波長(zhǎng)自由電子激光是國(guó)際上研究的重大熱點(diǎn)

2、,針對(duì)以上形勢(shì),我們也開展了對(duì)Seeded FEL和SASE FEL的一些相關(guān)物理問題的研究。
　　 本論文首先對(duì)FEL的發(fā)展歷史,工作模式和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了回顧和總結(jié);并介紹FEL基本理論和數(shù)值模擬軟件。
　　 在掌握FEL物理研究方法的基礎(chǔ)上,本論文追蹤國(guó)際前沿,首先對(duì)兩種新近提出的HGHG改進(jìn)模式:增強(qiáng)型HGHG(EHGHG)和回波型諧波放大FEL(EEHG)的參數(shù)敏感性進(jìn)行了系統(tǒng)研究,以期充分了解這兩種運(yùn)行機(jī)制的特

3、性,并使其性能達(dá)到最佳,向更短波長(zhǎng)方向拓展。
　　 介紹了增強(qiáng)型HGHG的基本原理,比較了相同輸入?yún)?shù)條件下EHGHG與HGHG的輻射結(jié)果。然后研究了能量失諧用以增強(qiáng)輸出輻射功率,并給出了最佳能量失諧半定量的公式。緊接著研究了一些主要系統(tǒng)參數(shù)的敏感性,如初始電子束能散,種子激光功率,色散段強(qiáng)度,以及相移大小等,并在輸入?yún)?shù)相同的情況下,與HGHG的情況做了比較。結(jié)果表明EHGHG的參數(shù)敏感性要低于傳統(tǒng)HGHG模式,尤其對(duì)于初始電

4、子束能散,EHGHG的容忍度要大。這為今后實(shí)際中運(yùn)行EHGHG機(jī)制的FEL裝置的參數(shù)選取和優(yōu)化提供了重要指導(dǎo)。最后給出了兩種機(jī)制的輻射帶寬比較,增強(qiáng)型HGHG的輻射帶寬也要小于HGHG模式。
　　 闡述了回波型諧波放大FEL的基本原理,接著給出了諧波聚束因子和輻射段飽和功率對(duì)主要裝置參數(shù)和束流參數(shù)變化的敏感性。結(jié)果表明聚束因子和飽和功率對(duì)裝置參數(shù)較為敏感,尤其是色散段強(qiáng)度,但是仍在可接受范圍。另外,我們研究了相干同步輻射效應(yīng),對(duì)

5、EEHG機(jī)制中色散強(qiáng)度很大的第一個(gè)色散段的相干同步輻射效應(yīng)可能會(huì)引起的能散和發(fā)射度的增長(zhǎng)進(jìn)行了理論估算和數(shù)值模擬,結(jié)果說明此時(shí)的能散增長(zhǎng)不會(huì)破壞相空間的回波型結(jié)構(gòu)。最后我們給出了EEHG的輻射帶寬。這些工作使我們加深了對(duì)EEHG機(jī)制的理解,并為運(yùn)行EEHG機(jī)制FEL裝置的參數(shù)選取和優(yōu)化提供參考。我們還對(duì)采用GENESIS程序模擬FEL時(shí)的粒子數(shù)收斂問題進(jìn)行了簡(jiǎn)單的研究。
　　 然后針對(duì)短波長(zhǎng)SASE-FEL的縱向相干性不佳,研究

6、了多種變參數(shù)波蕩器的輻射特性,以改善短波長(zhǎng)SASE-FEL的輻射譜,增強(qiáng)其縱向相干性。
　　 從理論和數(shù)值模擬兩方面研究了多種變參數(shù)波蕩器的輻射特性,包括正向線性錐化和平方錐化型、正向step型以及反向錐化型。結(jié)果表明,這四種波蕩器都能在各自參數(shù)優(yōu)化時(shí)提高輻射功率,尤其以正向平方錐化的效果最為顯著,但是僅有正向線性錐化能夠顯著改善SASE輻射譜。正向線性錐化能使輻射譜中心波長(zhǎng)上的輻射強(qiáng)度大大增強(qiáng),以致僅有一個(gè)尖峰非常突出,邊帶輻