用于THz源的混合型波荡器数值模拟

波荡器是基于自由电子激光的小型THz源关键器件, 其可调节的周期性磁场结构与两端的光腔配合, 使得穿越的电子束产生带增益的相干辐射, 最终达到THz源所需要的功率. 同纯永磁结构相比, 混合型波荡器通过软铁材料调节由永磁块磁化方向性差异导致的磁场分布误差, 同时可提供更高的场强. 本文针对小型THz源需求, 对混合型波荡器进行了相关物理设计. 在解析方法分析的基础上, 采用OPERA3D/TOSCA有限元分析软件, 对波荡器进行了三维磁场数值模拟和积分场优化. 通过对波荡器端部结构的调整, 优化后模型的一次场积分(导向误差)小于0.01Gs﹒m, 电子轨迹偏移小于0.02mm.     

上海深紫外自由电子激光波荡器的端部磁结构设计

 针对固定间隙的上海深紫外自由电子激光（SDUV-FEL）混合型波荡器的端部,用Radia程序进行了模拟计算。在端部不加任何电磁线圈补偿的情况下,通过减小端部磁铁、磁极的体积和变动端部磁极位置的方法对波荡器磁场进行了优化,优化以后波荡器横向磁场的边缘场强度降到5×10^-4 T（距离端部磁块边缘10 mm处）,边缘场波形没有了明显突起,优化后的横向磁场的一次积分曲线和二次积分曲线都有很大改善,端口处的一次积分值、二次积分值接近于零。     

混合型波荡器的3维优化

 以波荡器辐射波和共振电子能及混合型波荡器的解析计算为基础，通过3维磁场的有限元计算，在欧洲光源横向优化基础上，给出了同步辐射和自由电子激光用混合型波荡器纵向优化参数，进而给出了用于DUV FEL混合型波荡器的设计计算参数。加侧位和顶部永磁块后，峰值磁场分别提高到0.722T和0.773T，辅助以1μm量级分辨率的磁间隙调节机械系统，磁场分辨率好于10^-4T量级。     

用模拟退火法进行纯永磁波荡器磁块组合优化

 纯永磁波荡器由多个磁块组成,磁块的剩磁离散性会引起波荡器磁场误差,从而影响储存环工作状态和自发辐射谱质量。在波荡器磁块安装之前,使用模拟退火法对磁块进行组合排序优化,可以使峰值场强误差降低到10 ^-4量级以下,磁场一次积分降低到10^-6 T·m量级,二次积分降低到10 ^-6 T·m ²量级,优化结果不依赖于初始状态的选择。给出优化的详细过程,提出了根据磁块剩磁快速计算波荡器峰值场强误差和积分场的方法。     

太赫兹自由电子激光波荡器的设计、测量与优化

波荡器电子轨迹中心偏移和磁场误差对CTFEL装置性能影响很大,通过前期设计和后期测量与优化将其限制在指标要求范围内。在前期设计中尽量避免引入全局性的系统误差:磁结构具有平面反对称结构,保证电子轨迹中心和波荡器磁轴重合;磁结构端部的特殊设计减弱了间隙对出口磁场二次积分的影响;机械系统的大梁和立柱具有良好的刚性,闭环控制系统保证了高的波荡器间隙控制精度,这些措施降低了间隙不一致引入的磁场误差。在后期测量与优化中削弱了磁场的残存全局系统误差和局部随机误差:利用磁场点测台测量了波荡器磁场的纵向和横向分布,通过调节标准单元组件位置对磁场进行了垫补和优化,优化后电子轨迹中心偏移、峰峰值误差、相位误差、好场区及其误差均满足指标要求。     

Delta波荡器传导冷却的热分析与实验研究

波荡器是同步辐射光源中产生X射线的关键设备,低温型Delta波荡器可明显提高镨铁硼永磁铁的峰值场强和内禀矫顽力,进而有效抵抗辐照环境下的磁场退化。为了使永磁阵列进入液氮温区,提出了磁铁干式传导冷却方案,设计了干式低温恒温器结构,利用数值模拟完成了热力学分析优化,并搭建实验台进行了降温测试。结果表明,Delta波荡器可通过单台小型低温制冷机传导冷却进入低温状态,并突破常压饱和液氮温度,最低达到40 K,四个梁的最大温差约1 K,达到温度均匀性要求,并将磁场强度提高20%以上。低温型Delta波荡器模组达到设计指标,验证了波荡器干式传导冷却方案的可行性,对低温型波荡器的研发设计具有重要意义。     

混合型波荡器的研制

介绍一台１．５ｍ的混合型波荡器（ＵＮＤＵＬＡＴＯＲ）的研制，包括设计、磁块的优化组合、磁场测量系统和磁场调整技术。这台波荡器主要用于中红外自由电子激光的研究，其磁场峰值均方根误差０．５％，磁场导向误差１ｍＴ·ｃｍ，电子轨迹偏离０．０３ｍｍ。     

纯永磁波荡器基波与谐波磁场的三维计算与测试

 对标淮的纯永磁波荡器进行了三维磁场的有限元计算,给出了纯永磁波荡器的基波与谐波磁场的幅值与相位,并与测试结果进行对比,结果表明,标准的纯永磁波荡器谐波磁场幅值比基波幅值低两个数量级。     

横向聚焦波荡器磁场的计算与分析

横向聚焦波荡器可用于电子束能量较低、函数较小的情况。在现有横向聚焦波荡器设计方案的基础上,通过倾斜磁块端面和磁极面提出了几种不同结构的横向聚焦波荡器方案。利用三维磁场模拟程序Radia,对这些波荡器的聚焦场特性进行了模拟计算,对其聚焦特性与主要参数的关系进行了研究,并与现有其他横向聚焦波荡器的聚焦特性进行了对比。对弱聚焦和强聚焦两种情况,分别给出较好的结构方案。对于弱聚焦,平均聚焦梯度随中心场强的增大而略有增大,变化不明显;对于强聚焦,平均聚焦梯度随中心场强的增大而明显增大,呈高次曲线关系。     

波荡器位相误差及垫补计算

 给出了波荡器位相误差的函数式, 可由磁场峰值分布直接计算波荡器位相均方根误差。给出了波荡器垫补修正场的简单解析计算式, 可根据垫片的位置、大小、厚度、磁极间隙等参数直接计算出对磁场及位相的修正 。