光阴极RF腔中微波过程研究

由于光阴极RF腔注入器中电子束的脉冲结构由激光控制的特点,根据其电子束脉冲结构的特点,利用微波腔的等效电路,给出了这种微波腔中微波场变化公式,和关于光阴极RF腔的最佳耦合计算公式,并以CAEP光阴极RF腔注入器为例进行理论分析,给出这些变化对电子束参数(如能散度)的影响. 关键词： 光阴极RF腔注入器 光阴极 注入器 能散度     

可变参数磁压缩系统设计

北京大学30MeV超导加速器包含3个RF加速单元: 自主研发的1.5cell DC-SC(直流-超导)注入器, 经过升级的3.5cell DC-SC注入器, 以及1.3GHz 2×9cell Telsa型超导加速腔. 为充分利用该装置上高品质电子束, 计划压缩1.5cell注入器出口电子束用于产生相干THz光, 以及压缩2×9cell超导加速腔出口电子束产生红外自由电子激光. 通过理论计算及模拟计算相结合设计了一套可变参数磁压缩系统, 该系统可以同时满足两个RF加速单元后束团压缩的要求.     

磁压缩对高频稳定性的要求

 曲柄式磁压缩系统是北京大学SASE自由电子激光装置中非常重要的部分，通过其对电子束团的压缩为扭摆器提供高流强、短脉冲的电子束，使电子束在扭摆器内较短的距离实现饱和出光。曲柄式磁压缩需要利用偏离高频峰位的加速相位使得电子束产生能量-位置关联，主要讨论高频相位抖动与能量-位置关联的相互关系，高频相位抖动使得束团的能量-位置关联不同，即束团内电子能量随位置分布不同。进而研究其对磁压缩性能的影响，即能量-位置关联不一样会导致磁压缩得到的束团长度出现涨落。     

光阴极RF腔注入器

 光阴极RF腔注入器是一种强流、窄脉冲(ps量级)、低发射度的电子束源。文章给出了CAEP光阴极RF腔注入器的结构和实验结果,结构主要包括驱动激光器、Cs₂Te阴极制备室、2.5个RF腔、高功率微波源和测量仪器等,其中驱动激光器的参数是影响注入器电子束质量的重要因素;实验上,该光阴极RF腔注入器可稳定输出能量2MeV、流强70A、发射度～4mm.mrad的高亮度电子束流。     

高平均功率FEL的标度律

 讨论了设计高平均功率康普顿型自由电子激光（FEL）装置的基本思路与相关的标度律。强调了除电子束平均流强外，能量抽取率是装置实现高平均功率的决定性因素。这个量的标度律基本上由摇摆器参数（周期数）单独确定，与摇摆器周期长度和强度无关，与激光波长无关。指出如无能量回收系统，按目前光阴极电子枪+超导射频加速结构装置可预期的电子束团100 pC/bunch，平均电流为mA情况下，15MeV电子束能给出的激光平均输出功率为百瓦量级。     

加速器噪声对远红外FEL振荡器影响的模拟研究

采用FEL一维脉冲模型，针对中国原子能研究院的远红外FEL振荡器，模拟研究了加速器噪声对FEL的影响。对电子束微脉冲的时间晃动和能量波动所引起的光功率波动及光谱中心晃动进行了模拟计算，在计算中还分别考虑了噪声频率、振幅的大小产生的直接影响以及腔失谐的间接影响。     

加速器噪声对远红外FEL振荡器影响的模拟研究

 采用FEL一维脉冲模型，针对中国原子能研究院的远红外FEL振荡器，模拟研究了加速器噪声对FEL的影响。对电子束微脉冲的时间晃动和能量波动所引起的光功率波动及光谱中心晃动进行了模拟计算，在计算中还分别考虑了噪声频率、振幅的大小产生的直接影响以及腔失谐的间接影响。     

CFEL光阴极注入器驱动激光器的实验

在高功率自由电子激光初级实验装置（CFEL）研究中，驱动激光直接照射光阴极而发射电子，其性能将在很大程度上决定注入器乃至整个自由电子激光实验系统的性能：如电子束微脉冲宽度、电子束微脉冲流强、电子束微脉冲峰值抖动等。文中针对CFEL初期研究目标（3～8μm）对光阴极注入器的要求，对光阴极RF腔注入器的驱动激光器进行了方案设计，提出了驱动激光器的参数要求。根据方案进行了工程实施，购置了锁模激光器和时间同步器，放大与倍频系统正在研制当中。     

用于高平均功率FEL的DC-SC光阴极注入器

 为获得用于高平均功率自由电子激光（FEL）的高平均流强电子束，设计了一种新型的DC-SC光阴极注入器。该注入器由皮尔斯直流引出结构、1+1/2超导腔和同轴功率耦合系统组成，可以提供高品质、CW模式或高占空比的电子束。对DC-SC光阴极注入器进行了优化设计和束流动力学研究。模拟和优化结果表明DC-SC光阴极注入器完全可以用于高平均功率自由电子激光。模型腔实验验证了理论模拟的可靠性。     

曙光一号自由电子激光装置的设计研究

曙光一号自由电子激光装置(SG-1 FEL)是一台高功率毫米波段自由电子激光放大器,它由3.5MeV直线感应加速器、电子束调制系统、变参数摇摆器和微波种子源等部件组成。本文扼要叙述了SG-1 FEL的物理设计和主要技术参数,并重点分析了各主要部件的实验研究、计算模拟,以及物理设计和结构的特点。     

自由电子激光放大啁啾脉冲的数值模拟

 利用1维非定态程序对单程自由电子激光(FEL)放大器放大线性啁啾脉冲的过程进行了数值模拟,得到了不同啁啾参数的脉冲通过FEL放大器的增益曲线,计算了不同啁啾参数的脉冲被单程FEL放大器放大后的腔外压缩情况。通过对数值模拟结果的定性分析得出：影响输出脉冲宽度和峰值功率的主要因素是FEL放大器的增益线宽和啁啾参数,并以此说明,通过先使用FEL放大器放大啁啾脉冲、然后再将其在腔外压缩的方法产生超短脉冲FEL是可行的。     

W–band光注入器的模拟研究

模拟研究了1.6个腔、高梯度的W-band光阴极微波电子枪系统,该系统能产生和加速300pC的电子束团.设计系统由频率91.392GHz光阴极微波电子枪以及频率91.392GHz行波加速结构组成.基于射频直线加速器标度律与数值模拟结果,设计系统能产生能量1.74MeV,电量300pC,束团长度0.72ps,归一化横向发射度0.55mm·mrad的电子束团.研究了高频、高梯度下的束流动力学.由于高梯度,有质动力效应在束流动力学中起重要作用,且由于横向与纵向之间的耦合,在基次空间谐波的情形下,仍然存在着有质动力聚焦效应.     

100微米自由电子激光研究进展

自由电子激光器（FEL）是一种将相对论性电子的动能变换成电磁辐射的装置。电子束和电磁波沿摇摆器在同一直线上传输，摇摆器使电子产生横向的速度分量，实现电子和辐射场之间的能量交换。从电子束抽取的动能转换成电磁辐射，辐射的波长决定于电子束的能量和摇摆器参数。FEL具有波长连续可调、可获得高功率和光束品质好等优点，在军事上和基础科学研究中有很好的应用前景，美国、日本以及一些欧洲国家对自由电子激光的研究极为重视，并得到了很好的成果。2004年7月美国的JLAB实验室获得了10kW的自由电子激光，使人们对自由电子激光在激光武器中的定位进行了重新思考，从而掀起了又一轮世界范围内的自由电子激光研究热潮。     

光阴极注入器的驱动激光器

 光阴极注入器要求驱动激光器的激光时间抖动小、脉冲宽度窄、激光波长短和脉冲功率高。从原理和实验上介绍光阴极注入器的驱动激光器,包括连续波锁模振荡腔、时间同步,激光脉冲功率放大等;该激光器输出激光微脉冲宽度10ps,微脉冲时间抖动小于2ps,宏脉冲宽度2.5 μs, 峰值功率100kW, 已用于光阴极RF腔注入器实验,并获得了很好的结果。     

光阴极注入器超导加速腔集成实验研究

 光阴极超导加速器实验系统由四倍频Nd：YAG锁模激光器、Cs₂Te光阴极、2+1/2微波电子枪、L波段3.5MW脉冲微波源,1.3GHz单腔超导铌腔,500W连续微波源,超导腔束管耦合器,4.2K低温恒温容器,液氦制冷系统,同步控制系统,束流参数诊断,真空系统等构成。2001年6月在中物院进行了光阴极超导加速器原理性实验,测得超导加速段能量增益0.58MeV,微脉冲束流强度0.1A,取得了预期的实验结果。     

DC-SC光阴极注入器的束载实验的调试进展

 北京大学射频超导实验室设计了新型超导光电子枪——DC-SC光阴极注入器，目标是为自由电子激光平台提供能量在2~3MeV，脉宽小于10ps，脉冲重复频率为81.25MHz，平均流强约为1mA的低发射度电子束。现在已经建成了DC-SC光阴极注入器实验平台，包括激光驱动光阴极系统，Pierce直流高压加速结构，1.3GHz 1＋1/2纯铌超导腔，恒温器低温系统，4.5kW连续波微波系统，1/16分频与同步控制系统，束流诊断系统和能量分析系统等。并且完成了超导腔的静态实验，直流加速结构也经过了100μA低电流测试。实验结果符合设计要求，整体调试后即可以进行束载实验。     

采用波导提高远红外自由电子激光的净增益

中国工程物理研究院建造了一台波长约为120μm的远红外自由电子激光（FIR FEL）振荡器。CAEP FI RFEL由L波段射频加速器驱动，采用了线极化平面摇摆器（晰ggler）和由2个对称的球面镜组成的稳定光腔，在下游镜中心开一个小孔以输出激光。     

双脉冲电子束源实验

2MeV直线感应加速器注入器系统由电子束产生器和脉冲功率系统组成。电子束产生器包括由感应腔组成的阴极电压叠加器、阳极电压叠加器和真空二极管及束输运系统。脉冲功率系统则包含初级功率源Marx、次级功率源Blumlein线和触发系统，其作用是为感应腔提供一个具有数十纳秒平顶宽度的高压脉冲，激发感应腔在感应腔间隙上获得一个加速电场。在2MeV注入器功率系统中，4个Blumlein线的充气开关是由发散装置的输出触发信号进行导通控制的。通过控制发散输出触发信号到达Blumlein线开关的时间，即可以实现Blumlein线开关在不同时间内触发导通，使Blumlein线依据所设定的时间顺序输出激励脉冲，从而在真空二极管上获得高压脉冲串。由于功率系统采用的是182C结构，即一根Blumlein线驱动两个感应腔，因此最多可以实现四脉冲串列。     

C波段2 MeV驻波加速管物理设计

 为了发展结构紧凑、小束斑加速器，进行了C波段驻波电子直线加速器加速管的物理设计和研究。利用多级聚束和大孔径注入方法，抑制空间电荷效应。加速管由3个聚束腔和4个加速腔组成，长约163 mm，馈入微波功率源1 MW。在最终的数值模拟中，得到脉冲电流约150 mA，俘获效率优于30％，在加速管出口外约14 mm处，对电子的横向分布进行非线性Gauss拟合，得到束斑直径（FWHM）约为0.55 mm。     

腔诱导的冷原子在一维准周期性光晶格中的布洛赫振荡

本文研究了超冷原子与光腔的耦合系统。一团无相互作用的玻色-爱因斯坦凝聚体囚禁在法布里-珀罗光学谐振腔中,其中两束频率不同的驻波激光场被激发,形成了一个准周期性光晶格。同时,原子受到一个恒定外力作用,外力由原子本身重力提供。本文重点研究了腔场调控下的一维准周期性晶格中的腔动力学和原子动力学。采用平均场理论、绝热近似、襞裂算符等方法,对上述系统进行了数值模拟。结果显示,频率不同的两种晶格的叠加,使势阱的周期性得到破坏,腔和原子的动力学特征均显示出周期性被破坏的现象。此外,我们还从晶格能带的角度进行了分析和解释。原子质心运动与腔驻波场的耦合,使腔内探测光受到影响,这为探测原子动力学提供了有效途径。