CAS OpenIR  > 中科院上海应用物理研究所2011-2020年
储存环光源和自由电子激光的辐射新机制研究
王晓凡
Subtype博士
Thesis Advisor赵振堂
2020-06-01
Degree Grantor中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
Keyword自由电子激光 储存环光源 储存环自由电子激光 多维电子束操控 发射度交换
Abstract储存环光源成熟可靠,可以产生从红外到硬X射线的皮秒量级的辐射脉冲来研究分子和原子尺度的物质结构,具有高稳定性、高重复频率和多光束线可用性等特征。基于直线加速器的自由电子激光(FEL)可以产生具有短波长、高峰值亮度、高相干度和超快分辨率的辐射脉冲。在储存环中产生种子激光的高次谐波强相干辐射已经在加速器光源领域引起了极大兴趣,因此,将FEL运行机制和储存环结合已成为同步辐射光源发展的又一个新趋势。FEL的运行机制是FEL物理的核心,目前已经有多种运行机制,其中最为典型的是自放大自发辐射(SASE)。SASE-FEL能够提供极高亮度、横向全相干的超短光脉冲。但由于SASE的自发辐射起源于电子束的噪声,因此产生的FEL纵向相干性较差、有较大的功率抖动和相对较长的波荡器饱和长度(通常为百米)。使用谐波转换方案可以显著改善SASE-FEL的纵向相干性并抑制功率抖动。成熟的谐波转换方案有高增益高次谐波生成(HGHG)、回声增强型谐波生成(EEHG)和相位融合增强型谐波生成(PEHG),其中HGHG和EEHG已经被实验证实。但是在储存环中使用谐波转换方案时,应当引入尽可能小的电子束能散,而上述这些方案通常引入的电子束能散过高,容易破坏储存环中的电子束品质。为了改善这些运行机制,同时满足储存环光源及FEL用户日益增长的新需求,需要有辐射新机制的提出。在此背景下,本文首先研究了倾斜入射的激光与电子束在波荡器中的相互作用。该相互作用是谐波转换型FEL中一个基本而重要的物理过程,然而据作者调研,目前国际上尚无研究这一过程的相关工作。本文首次系统地研究了这一物理过程,理论分析和数值模拟结果表明,该相互作用不仅会在电子束的相空间上施加能量调制,而且还会产生角度调制,这会降低谐波转换型FEL(如HGHG和EEHG)的谐波转换效率,并会略微增大电子束的发射度。与此同时,该相互作用也可以被看作是一种全新的束团多维操控技术(倾斜激光调制技术)。利用该技术对电子束的多维调制属性,可以将传统谐波转换方案中产生高次谐波所需要的能量调制依赖部分地转移为角度调制依赖,从而降低电子束在种子激光高次谐波群聚时所需的能量调制深度。基于此,我们提出了两种利用倾斜激光调制技术实现储存环中电子束预聚束的新方案,其中第二个方案更具可行性。它巧妙地利用了倾斜激光调制段和二级铁的简单组合,将高次谐波群聚与储存环中电子束的发散角相关联,同时借助储存环中垂直方向发散角很小这一特点,达到了以非常小的激光引入能散来增强电子束的高次谐波群聚的效果。数值模拟表明,基于衍射极限储存环,该方案产生的FEL在十米长波荡器内达到饱和,在储存环中输出百兆瓦量级、全相干的EUV辐射脉冲。与其它谐波转换型FEL相比,该方案具有更高的谐波转换效率;与基于储存环的SASE-FEL相比较,该方案在保持FEL峰值功率基本不变的情况下,大幅地减小了辐射饱和长度。该方案lattice设计简单,可以灵巧地使用在现有设施中,这为实现EUV和软X射线波段的储存环FEL提供了新的技术路线。倾斜激光调制技术也可以应用在发射度交换(EEX)中。EEX可以重新排列电子束的分布,被广泛应用在储存环、FEL和对撞机中。本文基于倾斜光调制技术提出了全新的EEX方案,能够实现电子束在光波长尺度上的EEX。理论研究表明采用该方案可以大幅提升FEL的性能,并可实现光波长尺度上的束团整形。所提方案实现了对传统EEX方案的突破,对未来EEX的理论探索和实验研究具有重要的启示意义,在储存环和FEL等领域具有广阔的应用潜力。
Pages131
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/32491
Collection中科院上海应用物理研究所2011-2020年
Affiliation中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
First Author Affilication中国科学院上海应用物理研究所
Recommended Citation
GB/T 7714
王晓凡. 储存环光源和自由电子激光的辐射新机制研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所),2020.
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