曙光一号自由电子激光实验的理论分析

对曙光一号自由电子激光实验方案和结果进行了系统的理论分析和数值计算。首先用实测的束流发射度ε＿Ｎ＝０．３６～０．６３ｒａｄ·ｃｍ论证了电子束可以不经调制而由束流传输段直接进入摇摆器达到有效产生自由电子激光。其次用编制的三维电子束传输程序模拟２ｋＡ强流束从加速器出口到摇摆的器入器传输过程。最后根据实测参数，使用ＣＥＢＱ程序和ＷＡＧＦＥＬ程序，对曙光一号ＡＳＥ实验、功率放大实验和磁场失谐曲线进行的计算表明，曙光一号束流发射度大约在印ε＿Ｎ＝０．６１～０．８ｒａｄ·ｃｍ附近；ε＿Ｎ＝０．８ｒａｄ·ｃｍ时，上述实验与曲线的理论计算基本一致；曙光一号双向聚焦摇摆器设计是成功的；从功放结果分析，磁控管输入摇摆器的ＴＥＯ１模的功率约为５０Ｗ，并对下一轮实验提出了改进意见。     

曙光一号自由电子激光自发辐射放大的理论计算

曙光一号自由电子激光装置用自发辐射放大(ASE)机理,在毫米波波段测得了数百毫瓦的光信号输出。利用三维WAGFEL程序,结合曙光一号直线感应加速器型自由电子激光放大器参数,详细地分析了自发辐射放大的增益、输出功率随电子束的质量(包括束流能散度、流强、发射度等因素)的变化情况,给出了相应的定标关系;并且考察了摇摆场随机误差对自发辐射放大功率的影响。最后对自发辐射放大的实验结果进行了分析。     

曙光一号自由电子激光强流电子束的数值模拟

根据曙光一号自由电子激光实验的需要，将国外二维ＥＢＱ程序发展为三维强流束数值模拟程序（ＣＥＢＱ）。ＣＥＢＱ既能计算轴对称问题，还能计算磁四极子、束流偏轴和斜入射等三维问题。对强流束的自生电磁场效应，与ＥＢＱ程序一样，只考虑线性近似而略去了高阶项。使用ＣＥＢＱ程序对曙光一号装置进行了计算，对摇摆器入口处的椭圆形挡板进行了论证。数值结果表明，椭圆形档板对提高束流品质，有效地产生自由电子激光是必要的。这一结果和第二轮曙光一号实验的测量结果基本一致。     

上海软X射线自由电子激光束流准直

上海软X射线自由电子激光装置（SXFEL）对束流发射度增长的幅度有着较为严格的限制,传统的光学准直已经不能满足其要求。采用基于束流的准直方法可以实现更为精密的准直,使得直线加速器的准直误差进一步降低,以满足自由电子激光装置的要求。通过对不同条件下束流位置检测器（BPM）测得的数据采用最小二乘法算法进行计算分析,可以计算得到四极磁铁和BPM的准直误差,进而进行束流准直和轨道校正。基于以上原理,计算了各种元件误差对轨道和发射度造成的影响,同时基于Matlab平台设计了控制软件,模拟结果表明轨道偏离量可减少一个数量级。     

自由电子激光振荡器的三维数值模拟

仔细地考查了与三维自由电子激光振荡器物理方程组相应的３－Ⅰ程序的可靠性。在此基础上使用该程序计算、分析了在电子束与光束同轴条件下，当电子束参数如能散度、发射度、束流等参量改变时三维自由电子激光的一些基本规律。     

自由电子激光振荡器的三维数值模拟

仔细地考查了与三维自由电子激光振荡器物理方程组相应的３－Ⅰ程序的可靠性。在此基础上使用该程序计算、分析了在电子束与光束同轴条件下，当电子束参数如能散度、发射度、束流等参量改变时三维自由电子激光的一些基本规律。     

合肥储存环谐波超辐射自由电子激光的数值计算

 采用数值模拟的方法，结合合肥同步辐射自由电子激光的实际参数，并考虑了三维空间效应及束流能散度、发射度等影响，计算了电子束的能量调制、密度调制及谐波超辐射等物理过程。     

光速调管FEL的小信号增益理论

 利用自由电子激光（FEL）纵模统一理论，系统地分析了光速调管FEL的小信号增益理论，并对色散参数Nd、束流能散度和发射度的影响进行了讨论。     

热阴极微波电子枪预测式自适应前馈控制系统

 北京自由电子激光装置采用热阴极微波电子枪作为电子直线加速器的注入器,在较长脉冲工作条件下, 热阴极微波枪固有的反轰效应使束流强度随时间增加, 能量因束负载效应而降低, 导致束流能散度变差, 并在随后的加速过程中因注入束流的纵向发射度的扩大而进一步变坏, 最终降低自由电子激光的性能。实验表明, 采用带预测的自适应前馈控制克服束负载效应以及提高微波枪束流质量切实可行。     

高压直流连续波光阴极注入器中电子束流发射度研究

 高平均功率自由电子激光研究中，电子束质量是关键。针对高平均功率自由电子激光目标参数，提出了直流高压连续波光阴极注入器，给出了注入器的束流动力学过程。为了降低输出束流横向发射度，采用特殊结构设计的静电加速腔，加速电压1MV，最大加速梯度10MV/m。用PARMELA程序进行了粒子动力学模拟，电子束束团电荷为0.5nC，束团长度10ps时，注入器输出束流归一化发射度均方根值为5.8mm·mrad。     

3.3MeV直线感应加速器的设计和性能

综述3.3MeV直线感应加速器(LIA)的物理工程概貌和束流特性参数测量。所测数据均达到或超过了设计指标。并已成功地做为曙光一号自由电子激光器出光实验的电子束源。目前,拟串接更多的加速组元使加速器的电子束能量达到10MeV,以便同时用于自由电子激光研究和闪光X射线照相。     

自由电子激光光导的数值模拟与分析

从一维自由电子激光理论出发,唯象地考虑衍射效应,计算和分析了光导效应的特点和规律;针对曙光一号装置的自由电子激光参数,利用二维理论对光场剖面、填充因子、光场半径等进行了数值模拟;根据计算结果分析和讨论了影响光导的因素和实验条件。     

Echo-enabled谐波放大自由电子激光参数

通过数值模拟,结合解析计算分析,研究了Echo-enabled谐波放大自由电子激光对装置参数和主要束流参数变化的独立敏感性,给出了谐波聚束因子和饱和功率随参数变化的数值模拟结果;对色散段由相干同步辐射效应引起的能散和发射度增长进行了估算和数值模拟。结果表明:相干同步辐射效应引起的切片能散和切片发射度增长在5%以内,对最后辐射影响不大。     

曙光一号自由电子激光装置出光

为了对自由电子激光(FEL)进行基本物理研究,中国工程物理研究院设计建造了曙光一号自由电子激光装置(SFLE),并于1991年9月17日首次出光。     

低反轰热阴极微波电子枪初步实验

 简述了紧凑型自由电子激光太赫兹源研制的系统设计方案,介绍了具有两路微波馈入的热阴极微波电子枪的研制与测试情况,利用束流传感器测试了束流强度,并利用CCD相机测试了束斑大小,给出了微波电子枪通过初步热测实验得到的结果。测得微波电子枪出口处束流强度超过500 mA,束斑约3 mm,采用双屏法测量束流发射度,得到归一化发射度约为13.5 π·mm·mrad,测试指标与理论设计值吻合较好。     

我国自由电子激光研究获重大进展

我国在自由电子激光技术领域的研究获重大突破性进展.由中国工程物理研究院研制的我国第一台直线感应加速器自由电子激光放大器装置“曙光一号”和由中国科学院高能物理研究所研制的北京自由电子激光装置(BFEL),相继于今年4月和5月运行成功,并产生了亚洲第一束红外自由电子激光,标志着我国激光和加速器研究迈上新的台阶. 1987年以来,国家863计划及时组织开展了自由电子激光的研究.中国工程物理研究院和中国科学院高能物理研究所,组织 100多名科研人员,奋战五年时间,终于成功地设计和建造了具有中国特色的“曙光一号”自由电子激光装置和北…     

上海软X射线自由电子激光装置束流分配系统设计

束流分配系统是自由电子激光装置中至关重要的一部分,它可以将直线加速器产生的电子束团分配至不同的波荡器中。提出了一种基于上海软X射线自由电子激光装置的束流分配系统设计方案。针对该方案,详细介绍了三维从头至尾的束团跟踪模拟以及在传输过程中的束流动力学分析,模拟结果表明,该束流分配系统设计可以保证束流发射度增长小于8%,同时可以保证峰值电流、能散以及束团长度在经过该分配系统时未受到破坏。此外,针对束团在直线加速器中的微束团不稳定性和抖动也进行了分析。     

曙光一号自由电子激光器边带不稳定性研究

结合曙光一号自由电子激光器的实际条件,在WAGF EL程序的基础上考虑了光脉冲和电子脉冲因速度不同而引起的滑移,使处在有质动力势阱中的电子因同步振荡位相的不同而发生耦合,使激光强度的调制出现边带不稳定增长而导致光束质量变坏。程序的考察通过利弗莫尔实验室 GINGER程序的结果进行,以确保计算结果的可靠。在此基础上对曙光一号自由电子激光器的边带进行了计算。     

上海软X射线自由电子激光装置束流分配系统设计（英文）

束流分配系统是自由电子激光装置中至关重要的一部分,它可以将直线加速器产生的电子束团分配至不同的波荡器中。提出了一种基于上海软X射线自由电子激光装置的束流分配系统设计方案。针对该方案,详细介绍了三维从头至尾的束团跟踪模拟以及在传输过程中的束流动力学分析,模拟结果表明,该束流分配系统设计可以保证束流发射度增长小于8%,同时可以保证峰值电流、能散以及束团长度在经过该分配系统时未受到破坏。此外,针对束团在直线加速器中的微束团不稳定性和抖动也进行了分析。     

曙光一号自由电子激光器的理论计算

系统总结曙光一号自由电子激光器理论计算的主要结果:包括曙光一号装置主要参数的选取和理解;磁场失谐曲线的计算;常参数摇摆器和变参数摇摆器的主要结果;高阶波导模的贡献;电子束参数扰动对激光性能的影响;空间电荷效应等。计算结果表明,常参数摇摆器激光输出功率可达80MW,效率约50％;变参数摇摆器激光输出功率可达250MW左右,效率约16％。