SXFEL阻抗壁尾场对束流相空间畸变的影响

X射线自由电子激光器（FEL）由于其超高亮度、超短脉冲等特点,在世界范围内得到广泛应用。 基于尾流场理论,我们计算了上海X射线自由电子激光器（SXFEL）中从直线加速器出口到波荡器末端,束流在245 m不锈钢传输线和波荡器中的阻抗壁尾场。通过对两种不同的阻抗壁尾场的叠加,发现将导致束流纵向相空间的畸变。在SXFEL上进行束流物理的实验,并得到与理论预测非常吻合的实验结果。 结合之前对主要直线加速器部分的详细模拟和实验研究,为后续FEL整体束流优化提供了参考。     

SXFEL阻抗壁尾场对束流相空间畸变的影响（英文）

X射线自由电子激光器（FEL）由于其超高亮度、超短脉冲等特点,在世界范围内得到广泛应用。基于尾流场理论,我们计算了上海X射线自由电子激光器（SXFEL）中从直线加速器出口到波荡器末端,束流在245 m不锈钢传输线和波荡器中的阻抗壁尾场。通过对两种不同的阻抗壁尾场的叠加,发现将导致束流纵向相空间的畸变。在SXFEL上进行束流物理的实验,并得到与理论预测非常吻合的实验结果。结合之前对主要直线加速器部分的详细模拟和实验研究,为后续FEL整体束流优化提供了参考。     

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。     

HLS-Ⅱ直线加速器能量调节及应用

为了高效地对直线加速器输出束流能量进行调节,设计了合肥光源（HLS-II）直线加速器束流能量调节方案。该方案在调试阶段通过能谱分析系统观察束团状态并测量束流能量,储存环注入阶段使用3个束流位置探测器（BPM）对束流能量进行在线测量;使用自动相位扫描程序对速调管输出相位进行扫描,获得各加速段的能量增益公式;定量调节速调管的输出相位和高压,实现直线加速器输出束流能量的快速调节。在线应用结果表明,该方案能快速实现束流能量调节,调节后的束流具有良好品质,束流横向能散小于0.22%,注入速率明显改善。     

用于合肥光源200 MeV直线加速器束流位置测量的信号处理系统

 合肥光源(Hefei Light Source，HLS)200 MeV直线加速器的束流横向位置是一个重要的运行参数，直接决定注入的效率，为此新开发了一种非拦截型、高精度、易于将测量结果数字化的条带电极束流位置测量系统（beam position monitor, BPM），该系统由条带电极和信号处理系统组成。信号处理系统选用对数比的信号处理方法，由带通滤波器（BPF）、对数检波模块、信号放大器、模数转换模块和上位机组成。带通滤波器选用中心频率为2.856 GHz、带宽为10 MHz的腔体滤波器，对数检波模块采用对数放大器AD8313芯片，模数转换模块采用NI公司的PXI-5102，上位机的数据采集程序采用Labview编写。本系统有效地采用了虚拟仪器（VI）的技术，具有模块化、开放性、易于交互、可扩展的特点，测试结果表明，其分辨率达到0.1 mm，符合设计要求。     

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。     

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。     

合肥软X射线波段自由电子激光注入器模拟优化

合肥软X射线波段自由电子激光项目是基于直线加速器的软X射线光源. 其注入器由光阴极微波电子枪与两个直线加速3米段构成. 光阴极微波电子枪产生束团电荷量1nc、峰值流强100A、重复频率10Hz电子束流, 并利用螺线管磁场在其出口处进行发射度补偿, 在经过一段漂移距离后电子束流进入增强直线段加速. 使在低能端由于空间电荷效应产生的横向发射度增长基本被完全补偿. 本文中利用PARMELA对注入器进行了模拟计算, 对发射度的补偿效果进行了优化, 同时对注入器内各元件的布置也进行了优化. 在注入器出口可以得到归一化横向发射度小于1.5mm.mrad的低发射度束流.     

上海光源直线加速器的能量反馈控制

海光源恒流注入的运行模式,需要直线加速器提供持续、稳定和高品质的束流。阐述了八条形电极束流位置探测器(BPM)的工作原理及其对直线加速器至增强器低能运输线的束流进行能散的测量,并以（微波）幅度或相位作为调节参数,采用比例积分(PI)控制算法对束流能散进行反馈控制,实现了束流能量的长期稳定性,保证了直线加速器束流的高效率注入。     

国产首台交变相位聚焦漂移管加速器的冷测与试运行

质子直线注入器是质子治癌系统的重要组成部分。出于项目进度的考虑,上海先进质子治癌示范装置APTRON采用了进口自美国的直线注入器。为了加快质子治癌产业进程,掌握质子放疗关键技术,保证产业链安全可控,注入器团队研发了国产医用质子直线注入器。该直线注入器采用了电子回旋共振（ECR）离子源和四翼型射频四极加速器（RFQ）的技术方案,并在漂移管加速器（DTL）段创新性地采用了交变相位聚焦（APF）结构。在这个过程中,通过研究APF DTL的束流运动规律和设计思想,自主开发了APF DTL的底层物理设计软件,相继完成了物理设计、电磁设计、机械设计、加工建造、腔体冷测、高频老练和载束实验等多个阶段的工作,最终成功引出了7 MeV、7 mA的质子束流。经过束诊系统的测量分析,认定束流中心能量为6.975 MeV,动量分散在±0.35%以内的束流流强为6.07 mA。成为国产首台医用质子直线注入器和首个实现成功载束的APF加速腔。     

New linear accelerator （Linac） design based on C-band accelerating structures for SXFEL facility

A C-band accelerator structure is one promising technique for a compact XFEL facility. It is also attractive in beam dynamics in maintaining a high quality electron beam, which is an important factor in the performance of a free electron laser. In this paper, a comparison between traditional S-band and C-band accelerating structures is made based on the linac configuration of a Shanghai Soft X-ray Free Electron Laser (SXFEL) facility. Throughout the comprehensive simulation, we conclude that the C-band structure is much more competitive.     

上海光源储存环工作点测量系统

报道了工作点测量技术的研究现状,对束流频谱分析用于工作点测量的方法进行了详细说明。介绍了上海光源储存环工作点测量系统的物理需求、方案设计、硬件结构及关键设备选型。采用束流实验的方法对系统配置参数进行优化,对系统测量误差及分辨力进行测试评估,讨论了测量系统不同工作模式的优缺点,并给出加速器不同运行阶段应该采用的运行模式。优化后的上海光源工作点测量系统,其系统测量误差小于0.000 1,测量分辨力好于0.000 05,测量过程对束流轨道及等效束斑尺寸的扰动控制在μm量级,现已在上海光源运行及机器研究中投入实用。     

用束流位置监测器测量上海光源束流寿命

通过理论分析研究了电磁耦合型束流位置探测器（BPM）用于束流寿命测量的可行性,并在上海光源储存环上进行了束流实验,对其性能进行了评估。实验结果表明,与目前常用的直流流强变压器（DCCT）系统相比,BPM给出的束流寿命具有更高的带宽和分辨力,有利于进行不同时间尺度的束流寿命评估,而且可以通过多个平均的方式来进一步提高测量精度。     

X射线自由电子激光试验装置

X射线自由电子激光试验装置(以下简称"SXFEL试验装置")是中国第一台X射线相干光源,其输出波长小于9 nm。这台基于0.84 GeV直线加速器、以掌握装置相关技术和实验演示种子型自由电子激光(FEL)级联与短波长回声型FEL为主要目标的自由电子激光装置,于2020年11月通过国家验收。本文将介绍SXFEL试验装置的基本情况和主要进展。     

上海激光康普顿散射伽马源的发展和展望

激光康普顿散射(Laser Campton Scattering, LCS)光源,是一种基于相对论电子束与激光光子相互作用的新型X-ray或Gamma-ray光源。它具有能量高、波长短、脉冲快和峰值亮度高的特性,已成为国际先进光源技术的重要选项之一。本文介绍了激光康普顿散射光源的产生原理、国内外发展现状以及目前国际上运行和在建的激光康普顿散射光源装置,其中重点介绍了上海光源二期正在建设的上海激光电子伽马源(Shanghai Laser Electron Gamma Source, SLEGS)装置,以及在这一光源装置上可以开展的核物理、核天体物理、核废料处理及核医学应用等研究。随着上海软X射线自由电子激光试验装置(Soft X-ray Free Electron Laser, SXFEL)升级为用户装置,以及未来十三五国家重大科技基础设施-硬X射线自由电子装置(Shanghai HIgh repetition rate XFEL aNd Extreme light facility,SHINE)的建设完成,基于直线电子加速器(LINear ACcelator, LINAC)的康普顿散射光源的伽马能量将会达到GeV量级的高能量。超短脉冲、高极化度、高通量的激光康普顿散射光源将迎来新的发展机遇,基于康普顿伽马光源的核物理、天体物理、粒子物理及应用基础研究也必将迈上一个新台阶。     

新型跑道腔式束流位置监测器

系统提出了一种新的腔式束流位置监测器(BPM),即跑道型腔式BPM,并使用微波工作室软件进行了理论研究和模拟计算,提出了通用设计方法。跑道型腔式BPM的金属腔部分具有跑道形横截面,引出束流位置偏移激励起的一对偶极模式作为束流位置信号。该方案的偶极模式极化方向固定,频率分离,可以解决随机误差产生的横向串扰问题,其理论位置分辨力可以达到15 nm。     

上海软X射线自由电子激光外种子运行模式的模拟研究

上海软X射线自由电子激光用户装置（SXFEL）是我国首台可以运行在水窗波段的自由电子激光装置,未来可以为5个实验线站供光,其主要运行模式为自放大自发辐射模式以及外种子模式。本文就SXFEL的外种子模式进行了从头到尾的模拟研究,主要包括EEHG-HGHG混合级联与单级EEHG两种方案。模拟结果表明,虽然EEHG-HGHG混合级联模式较为复杂,但能够产生更高功率的高次谐波辐射。除此之外,我们还研究了各种三维效应对EEHG的影响。模拟和分析结果表明,通过上述两种方案,采用紫外波段的种子激光,用户可以得到全相干、窄带宽、短脉冲的水窗波段自由电子激光。