| 题名 | 基于横向梯度波荡器的束流物理和自由电子激光物理的相关研究 |
| 作者 | 刘涛 |
| 答辩日期 | 2017 |
| 文献子类 | 博士 |
| 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) |
| 导师 | 王东 |
| 关键词 | 自由电子激光 激光等离子体加速电子 束流动力学 色品 横向梯度波荡器 微束团不稳定性 Fodo结构 相干同步辐射 上海光机所激光等离子体加速电子装置 上海软x射线自由电子激光装置 |
| 英文摘要 | 近年来,基于传统射频加速器的自由电子激光已经发展得相当成熟。相比于第三代同步辐射光源,自由电子激光能够产生功率更高、相干性更好、时间结构精确可控的短波长辐射脉冲,这为生物、化学、材料科学等诸多研究领域提供了革命性的研究工具。随着基础科研用户对光源性能的需求的不断提升,当前自由电子激光还在朝更高的峰值亮度、更短波长、超短脉冲和高重复频率等方向发展。然而,基于常规加速技术的自由电子激光装置的规模通常非常庞大,其长度往往会达到千米的量级,相应的造价也非常高,这给自由电子激光的普及和广泛应用造成了极大的困难,因而目前自由电子激光发展的另外一个重要方向是小型化和台面化。激光等离子体加速作为一种新兴的加速技术可以在非常短的加速距离内产生高能量的电子束,且电子束天然地具有高峰值流强、短脉冲和低发射度等优点,这为实现紧凑型自由电子激光提供了一种非常有潜力的方向。受到电子束本身较大的初始能散和大发散角等问题的限制,目前基于激光等离子体加速器还难以产生自由电子激光。为克服激光等离子体加速器大能散的缺点,人们于近些年相继提出了多种方案,其中采用横向梯度波荡器的方法巧妙地降低了波荡器辐射对电子束能散的敏感度,能够非常有效地提升自由电子激光的辐射效率,被认为是基于激光等离子加速器产生自由电子激光的有效技术路线之一,目前上海光机所正在开展相关实验。另外,作为一种新型的磁铁元件,横向梯度波荡器还具有一些独特的动力学特性,这些特性为精确的束流操控和横纵相空间耦合提供了新的可能,很值得进行深入的理论和实验研究。在这样的背景下,本论文围绕着横向梯度波荡器开展了束流动力学和自由电子激光物理方面的理论研究,主要研究内容包括如下几个方面:一方面,本论文从基本电磁场方程出发,研究了横向梯度波荡器的束流动力学特性,首次推导得到了横向梯度波荡器的完整传输矩阵,并将其应用于抑制电子束微束团不稳定性等方向上。束流动力学表明,横向梯度波荡器会引入类似于二极铁的横向色散,从而在电子束中引入横纵向的耦合。我们以上海软X射线自由电子激光装置为例,结合横向梯度波荡器提出并设计了一套可逆的束流“加热”系统,过程中引入了额外的可逆能散和横纵向耦合,有效地抑制了系统前期累积和当前压缩段产生的微束团不稳定性,这为降低电子束能散、提高束流品质提供了新的思路。另外,我们运用束流动力学分析结果,研究了考虑结合横向梯度波荡器自身聚焦特性的FODO结构,这可以帮助我们解决横向梯度波荡器中的电子束横向尺寸变化和色散变化等问题,为基于横向梯度波荡器的自由电子激光辐射放大和饱和提供了一种优化方案。另一方面,本论文为基于横向梯度波荡器的激光等离子加速自由电子激光设计了完整实验方案,重点讨论了激光等离子加速器产生电子束的束流传输问题和在横向梯度波荡器中的发光问题。激光等离子加速自由电子激光实验的难点之一在于电子束初始巨大的发散角和能散度,这给电子束的传输造成了极大的困难,需要考虑研究设计具有针对性的束流传输方案。本论文的研究立足于上海光机所的激光等离子体加速电子装置,开展了一套系统而完整的束流传输方案设计和自由电子激光辐射方案的设计。此方案针对激光等离子体加速产生电子束的初始大的发散角和能散的问题,提出采用高梯度四极铁和六极铁来约束聚焦和色品发射度,并采用单块二极铁来引入色散以避免较大的束团纵向拉伸,之后送入下游的横向梯度波荡器进行自由电子激光福射。通过采用此方案,模拟结果显示在相对短的的波荡器辐射段内,由激光等离子体加速产生的电子束在横向梯度波荡器的驱动下有潜力实现自由电子激光的指数放大和饱和,其效果大大优于普通波荡器辐射。根据本论文的方案设计,我们在实验上搭建了束流传输和波荡器辐射系统,并正在开展相关的自由电子激光实验。另外,本论文还探讨了基于激光等离子体加速装置开展其他类型自由电子激光实验的可能性,并提出了基于相干谐波辐射产生全相干自由电子激光的新方案。由于激光等离子体加速所产生的电子束具有很大的横向抖动性和能量抖动性,这对束流传输和实际调束造成了极大的困难。借用激光等离子体加速所用的超强驱动激光,我们可以先对束流进行预能量调制,同时借助波荡器自身的纵向色散就能够产生相干的微聚束,从而可以在较短的波荡器中迅速产生相干的高次谐波辐射。我们同样基于光机所的激光等离子加速装置开展了实验方案的设计,模拟结果表明此方案简化了束流传输过程,整个系统规模很小,仅在几米的范围内,有效地避免了自由电子激光从电子束的初始噪声起振,并提高了自由电子激光对电子束能量和位置抖动的容忍性。这些研究为实现基于激光等离子体加速的自由电子激光光源提供了可行的技术路线,对未来紧凑型自由电子激光装置的设计和建设具有重要的参考价值。 |
| 语种 | 中文 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/28482]  |
| 专题 | 上海应用物理研究所_中科院上海应用物理研究所2011-2017年 |
| 作者单位 | 中国科学院上海应用物理研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 刘涛. 基于横向梯度波荡器的束流物理和自由电子激光物理的相关研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所). 2017. |
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