晶体摆动场辐射及其共振线附近的粒子运动行为

寻找新光源,特别是短波长相干光源引起了人们的广泛注意,利用晶体摆动场辐射作为短波长相干光源是最有可能的方案之一,本文从势和场的观点出发,把周期弯晶产生的离心力视为离心势,将粒子运动方程化为Duffing型Mathieu方程,从能量观点出发讨论了系统的稳定性,用摄动法对共振线附近粒子的运动行为进行了分析;揭示了系统的跳跃现象和不稳定行为,结果表明,系统的稳定性与其参数有关,适当调节这些参数,系统的分叉和不稳定性原则上可以避免。     

参数X射线辐射与旋转周期轨道的局域分叉

寻找新光源,特别是利用参数X射线辐射(PXR)、沟道辐射(CR)或晶体摆动场辐射(CUR)作为新的光源引起了人们极大关注。要成功获得这些新光源,粒子运动必须是稳定的。但是,由于辐射衰减、晶格热振动、电子多重散射和相互作用势的非线性等因素的影响,系统将产生退道、分叉、混沌等不稳定现象,从而对这些辐射的反射、衍射、聚焦和谱分布产生直接影响。讨论了旋转周期轨道的分叉对系统稳定性的影响。在经典力学框架内和偶极近似下,引入正弦平方势,把粒子运动方程化为了具有阻尼项、受迫项和常数力矩的广义摆方程。利用Jacobian椭圆函数和椭圆积分给出了系统的解和粒子运动周期,用Melnikov方法构造了旋转型周期轨道的Melnikov函数,并用这个方法分析了系统的局部分叉性质。结果表明,系统的临界条件与它的参数有关,只需适当调节这些参数,系统的分叉(或不稳定性)就可以原则上避免,从而进一步保证有效地输出PXR、CUR或CR辐射等。     

晶体摆动场辐射系统的全局分叉与混沌行为

引入正弦平方势,在经典力学框架内和偶极近似下,考虑到运动阻尼和非线性影响,把粒子在晶体摆动场中的运动方程化为具有阻尼项和受迫项的广义摆方程.利用Jacob椭圆函数和椭圆积分分析了无扰动系统的相平面特征,并解析地给出了系统的解和粒子振动周期; 进一步利用Melnikov方法分析相平面上三类轨道的分叉性质和进入Smale马蹄意义下的混沌行为,找到系统的全局分叉与系统进入混沌的临界条件.结果表明,系统的临界条件与它的物理参数有关,只需适当调节这些参数就可以原则上避免、抑制分叉或混沌的出现. 关键词： 晶体摆动场辐射 Melnikov方法 分叉 混沌     

晶体摆动场的辐射衰减与能量增益

由于晶体弯曲、电子多重散射和晶格热振动引起的粒子退道,辐射同原子相互作用引起的电离损失,以及系统非线性引起的全局分叉与混沌行为等,晶体摆动场辐射面临的问题比自由电子激光要复杂得多。首先,引入晶体摆动场自发辐射谱分布,并在简谐近似下讨论了运动方程、系统增益和能量衰减。结果表明:一般情况下辐射谱只有少数几条谱线,而在简谐近似下,谱线只有一条。其次,指出了辐射能量比较高时,衰减是主要的,选择的晶体长度必须小于衰减长度,且可选择正电子或质子作炮弹;当辐射能量比较低时,退道是主要的,选择的晶体长度必须小于退道长度,且可选择重离子作炮弹。     

Lindhard势与弯晶摆动场辐射的动力学稳定性

在经典力学框架内和偶极近似下,引入Lindhard势,把粒子运动方程转化为具有硬弹簧特性的达芬(Duffing)方程,利用多尺度法分析了系统的主共振和超共振;讨论了粒子在共振线附近运动的非线性行为;导出了系统的临界参数ac及满足系统稳定的条件。由于系统的临界条件与它的物理参数有关,只需这些参数适当,系统的不稳定性就可以原则上避免,从而保证系统能够稳定地输出晶体摆动场辐射,为寻找X激光或γ激光提供进一步理论分析。     

晶体摆动场辐射系统的全局分叉与混沌行为

引入正弦平方势,在经典力学框架内和偶极近似下,考虑到运动阻尼和非线性影响,把粒子在晶体摆动场中的运动方程化为具有阻尼项和受迫项的广义摆方程.利用Jacob椭圆函数和椭圆积分分析了无扰动系统的相平面特征,并解析地给出了系统的解和粒子振动周期; 进一步利用Melnikov方法分析相平面上三类轨道的分叉性质和进入Smale马蹄意义下的混沌行为,找到系统的全局分叉与系统进入混沌的临界条件.结果表明,系统的临界条件与它的物理参数有关,只需适当调节这些参数就可以原则上避免、抑制分叉或混沌的出现.     

正弦平方势与正电子面沟道辐射的一般特征

引入正弦平方势，在经典力学框架内，将面沟道粒子的运动方程化为标准的摆方程，并用Jacobian椭圆函数和椭圆积分解析地给出系统的解和粒子运动周期，导出了正电子面沟道辐射的瞬时辐射强度、平均辐射强度和辐射谱特征.结果表明，沟道辐射频率己进入γ-能区，并指出了利用它作为短波长激光的可能性. 关键词： 沟道辐射 非线性 正弦平方势     

正电子面沟道辐射的非线性特征

经典物理学指出,在电磁场中作加速运动的带电粒子将不断向外辐射能量.在晶体沟道中运动的带电粒子也不例外,晶格场可以使带电粒子的辐射能量达到很高.对于10MeV的正电子,辐射能量可达keV量级.粒子在沟道中的运动行为决定于粒子晶体的相互作用势,常用的相互作用势有Lindhard势、Moliere势和正弦平方势.由于粒子在沟道中的运动行为十分类似于震荡器中运动的自由电子,可望把沟道辐射改造为Χ射线激光或γ射线激光.从Lindhard势出发,将其展开到四次项,在经典力学框架内,粒子的运动方程可以化为含立方项的二阶非线性微分方程,并利用Jacobian椭圆函数和第一类全椭圆积分解析地表示了系统的解和粒子运动周期,导出了正电子面沟道辐射的瞬时辐射强度、平均辐射强度和最大辐射频率,指出了利用沟道辐射作为γ激光的可能性.     

准周期激励与应变超晶格的动力学稳定性

假设超晶格锯齿形沟道对粒子的作用等效为形状相似的周期场作用. 在经典力学框架内,引入正弦平方势,把粒子运动方程化为具有阻尼项和双频激励项的摆方程. 用Melnikov方法对单频激励系统的分叉与混沌进行分析;用Lyapunov方法对双频激励系统的稳定性进行讨论. 结果表明：在弱非线性情况下,双频激励系统存在局域不稳定,且这种不稳定将向全局扩展,直至混沌的出现;导致混沌的双频激励强度远小于单频激励强度;外加一个适当的超声场可望将这种敏感钝化,使系统的稳定性得到改善. 关键词： 超晶格 准周期激励 混沌 稳定性     

一维晶化束的非线性动力学(Ⅱ)

本文导出了参数激励的横向相干振动方程。用多重尺度法求出了系统的近似解,用经典方法讨论了它的稳定性,导出了系统的临界梯度场公差和频率响应曲线。此外,还利用Melni-kov方法讨论了系统的全局分叉并以储存环ESR为例进行了详细分析。 关键词：     

Crystalline undulator radiation and sub-harmonic bifurcation of system

Looking for new light sources, especially short wavelength laser light sources has attracted widespread attention. This paper analytically describes the radiation of a crystalline undulator field by the sine-squared potential. In the classical mechanics and the dipole approximation, the motion equation of a particle is reduced to a generalized pendulum equation with a damping term and a forcing term. The bifurcation behavior of periodic orbits is analyzed by using the Melnikov method and the numerical method, and the stability of the system is discussed. The results show that, in principle, the stability of the system relates to its parameters, and only by adjusting these parameters appropriately can the occurrence of bifurcation be avoided or suppressed.     

波荡器谐波场增强效应对电子自发辐射谱的影响

 有效利用电子束在波荡器中运动时产生的谐波辐射,是获得更短波长辐射最直接的方法之一。提高波荡器磁场的谐波分量可以提高电子束的谐波辐射光场强度。分析了一种改进Halbach型波荡器结构,计算了其磁场的构成,分析表明这种结构可以使磁场的三次谐波分量提高至基波分量的25%左右。以合肥光源的电子束参数为例,计算了波荡器磁场谐波分量增强后对电子束自发辐射谱的影响。计算结果表明,波荡器磁场谐波分量增强至25%时,可以使电子束自发辐射的三次谐波辐射增强至基波辐射光子通量的67%左右。     

Effects of energy spread on brightness and coherence of undulator sources

The (spectral) brightness for partially transverse coherent sources such as synchrotron radiation and free‐electron laser sources can be defined as the maximum of the Wigner distribution. Then, the brightness includes information on both coherence and wavefront characteristics of the radiation field. For undulator sources, it is customary to approximate the single‐electron electric field at resonance with a Gaussian beam, leading to great simplifications. Attempts to account for the modified spatial and angular profile of the undulator radiation in the presence of detuning due to energy spread, currently build on the simplified brightness expression derived under the assumption of Gaussian beams. The influence of energy spread on undulator radiation properties is becoming important in view of diffraction‐limited rings with ultralow emittance coming on‐line. Here the effects of energy spread on the brightness of undulator radiation at resonance are discussed, as well as relevant relations with coherence properties.     

Throughput Measurement of a Multilayer-Coated Schwarzschild Objective Using Synchrotron Radiation

The throughput of a Schwarzschild objective using undulator synchrotron radiation was measured. Conventionally, the throughput was estimated from the squared reflectivity of one multilayer mirror and from the obstruction ratio. However, we evaluated the transmission ratio from the input and output photon flux using a precisely calibrated monochromatic beam from an undulator light source. It was found that the objective has a maximum throughput of 8.5% at a wavelength of 13.9 nm.     

Stochastic stability of a fractional viscoelastic column under bounded noise excitation

The stability of a viscoelastic column under the excitation of stochastic axial compressive load is investigated in this paper. The material of the column is modeled using a fractional Kelvin–Voigt constitutive relation, which leads to that the equation of motion is governed by a stochastic fractional equation with parametric excitation. The excitation is modeled as a bounded noise, which is a realistic model of stochastic fluctuation in engineering applications. The method of stochastic averaging is used to approximate the responses of the original dynamical system by a new set of averaged variables which are diffusive Markov vector. An eigenvalue problem is formulated from the averaged equations, from which the moment Lyapunov exponent is determined for the column system with small damping and weak excitation. The effects of various parameters on the stochastic stability and significant parametric resonance are discussed and confirmed by simulation results.     

一类准周期参激非线性相对转动动力系统的稳定性与时滞反馈控制

建立了一类含准周期参数激励和时滞反馈的相对转动非线性系统的动力学方程. 采用多尺度法求解1/2亚谐波主参数共振下的分岔响应方程,并分析了系统的稳定性. 在求解非受控系统的定常解的基础上,通过讨论系统的动力学特性,研究了准周期参数激励对系统响应的影响. 采用时滞反馈控制的方法对系统分岔和极限环(域)进行控制,数值模拟的结果表明通过改变时滞参数可以实现对系统分岔的控制,并能有效地控制极限环(域)的幅值和稳定性. 关键词： 相对转动 准周期参激 时滞反馈 极限环     

W波段同轴静磁波荡器自由电子激光优化设计

基于同轴静磁波荡器的自由电子激光主要利用环形电子束与同轴TE模式的相互作用产生电磁辐射,是一种重要的毫米波辐射源。分析了同轴结构作用区内外半径、工作模式、电子束电压、波荡器周期等参数对辐射频率的影响规律,研究了电子束平均半径的选取原则和束波互作用腔的设计方法,设计了辐射频率在W波段的基于同轴静磁波荡器的自由电子激光,并进行了粒子模拟,在电子束电压为720 kV,电子束流为1 kA的情况下,获得了频率107 GHz、辐射功率35 MW的TE01模,束波转换效率为4.9%,束波作用腔总长度小于200 mm,同轴静磁波荡器的磁场幅度0.34 T。