開放諧振腔SP FEL中電子注與高頻場(chǎng)互作用的粒子模擬研究.pdf

1、Smith-Purcell自由電子激光簡(jiǎn)稱SP FEL，是自由電子激光的一個(gè)重要分支。本文對(duì)Smith-Purcell效應(yīng)和開放腔SP自由電子激光器件進(jìn)行了比較深入、全面的研究，取得了一些有價(jià)值的研究成果。 本文首先根據(jù)Smith-Purcell自由電子激光理論，對(duì)一種新型自由電子激光器的特性進(jìn)行研究。特別討論了SmLith-Purcell效應(yīng)振蕩器，主要對(duì)電子運(yùn)動(dòng)方程以及注波互作用關(guān)系進(jìn)行了分析。分析了開放式諧振腔的優(yōu)點(diǎn)、光學(xué)

2、諧振腔的衍射理論并且介紹了開放式諧振腔的穩(wěn)定球面腔解。 利用二維的粒子模擬方法，采用了在開放矩形腔內(nèi)設(shè)置平板光柵的結(jié)構(gòu)模擬出了Smith-Purcell輻射現(xiàn)象。利用單電子束團(tuán)從光柵表面經(jīng)過(guò)并在腔中設(shè)置多個(gè)不同角度的觀察點(diǎn)，通過(guò)觀察縱向磁場(chǎng)的等勢(shì)圖、腔內(nèi)多點(diǎn)的諧振頻率以及電子束團(tuán)的動(dòng)量空間分布圖，來(lái)研究Smith-Purcell效應(yīng)，以及SP輻射波和散射波的區(qū)別。當(dāng)單電子束團(tuán)從光柵表面經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì)激勵(lì)SP輻射，SP輻射波的頻率會(huì)隨著

3、角度的變化而變化，根據(jù)模擬結(jié)果得出的輻射頻率與角度的變化曲線與根據(jù)Smith-Purcell輻射公式畫出的理論曲線非常吻合。利用多個(gè)電子束團(tuán)在光柵表面經(jīng)過(guò)，通過(guò)觀察縱向磁場(chǎng)的等勢(shì)圖，來(lái)研究SP超輻射現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)，SP超輻射也就是SP輻射的二次與三次諧波，輻射波的輸出角度也與Smith-Purcell輻射公式一致。設(shè)計(jì)三種不同的光柵結(jié)構(gòu)(矩形、梯形、倒梯形)，研究光柵形狀對(duì)SP輻射和散射波輻射頻率的影響。然后采用在圓

4、筒腔內(nèi)設(shè)置圓筒柵結(jié)構(gòu)，采用與以上相同的方法，同樣觀察到了SP輻射波與散射波，以及SP超輻射。模擬結(jié)果同樣與Smith-Purcell輻射公式非常吻合，也進(jìn)一步證明了矩形結(jié)構(gòu)的正確性。 對(duì)新型的開放式的Smith-Purcell自由電子激光器進(jìn)行了建模，并利用二維的粒子模擬方法對(duì)冷腔以及注波互作用進(jìn)行研究。通過(guò)研究?jī)煞N不同情況的諧振腔，包括設(shè)置角度輸出口和不設(shè)置角度輸出口的兩種結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并模擬了三種不同形狀的光柵，給出了各種激光器