X射線自由電子激光物理設(shè)計(jì)及新型電子束源研究.pdf

1、自由電子激光(FEL)具有波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)(可達(dá)X射線波段)，可設(shè)計(jì)等新穎特性和高功率，高效率等潛在能力，在飛秒科學(xué)，生物分子結(jié)構(gòu)，納米科學(xué)等研究領(lǐng)域有廣泛運(yùn)用前景。當(dāng)前自由電子激光的研究正轉(zhuǎn)向短波長(zhǎng)(X射線)，實(shí)用化，緊湊型方向發(fā)展，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。本文在中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金及美國(guó)能源部DOE項(xiàng)目的資助下，對(duì)能產(chǎn)生X射線波長(zhǎng)的自由電子激光幾類器件進(jìn)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(shí)驗(yàn)研究，對(duì)于X射線FEL理論研究的深化和實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)和改進(jìn)具有重要的意義，取得了一批有價(jià)值的研究成果。主要研究?jī)?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(jì)算程序，對(duì)輻射光場(chǎng)功率，飽和長(zhǎng)度，聚束因子等特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析。此程序的主要優(yōu)勢(shì)在于基于Matlab的便利性可以很方便的進(jìn)行后處理數(shù)據(jù)，為X射線FEL發(fā)展提供理論設(shè)計(jì)便利。

3、
　　2.利用光場(chǎng)的高斯赫米特源項(xiàng)展開法，推導(dǎo)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(duì)鏡子的折射率，鏡子曲率半徑，腔體結(jié)構(gòu)等三維問(wèn)題對(duì)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(guó)際通用軟件Genesis進(jìn)行了單Pass的SASE對(duì)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(diǎn)，并在國(guó)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(jì)，進(jìn)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(jìn)入輻射段電子束能散，提出帶有 OK機(jī)構(gòu)的HGHG和EEHG創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，對(duì)其采用Ginger進(jìn)行模擬優(yōu)化，顯著改善電子束能散。
　　4.對(duì)X射線FEL采用的電子束源的各種方案進(jìn)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(jìn)行了研究，利用PIC-MCC model進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出放電規(guī)律。最后在放電的實(shí)驗(yàn)研究中測(cè)量到放電電流達(dá)到千安級(jí)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(qiáng)度和低能散的高質(zhì)量電子束源，降低了對(duì)束團(tuán)長(zhǎng)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(jī)制-微空心陰極放電陣列理論研究，采用純流體理論對(duì)微空心陰極放電單個(gè)單元進(jìn)行數(shù)值編程