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。     

Xe54+离子与Xe原子碰撞过程中的辐射电子俘获及退激发辐射的理论研究

基于多组态Dirac-Fock理论方法和冲量近似, 对Xe⁵⁴⁺与Xe在197 MeV/u碰撞能量下, 炮弹离子的俘获及退激发过程进行了理论研究. 计算了炮弹离子从中性靶原子俘获一个电子到nl (n=1, 2, 3, 4, 5; l=s, p, d) 轨道上的辐射电子俘获截面和相应的辐射光子能量, 以及俘获末态退激发辐射跃迁的能量和概率. 结合这些计算结果, 进一步模拟了碰撞产生的炮弹离子的退激发X射线谱的结构, 并与兰州重离子加速器装置上的最新实验观测结果进行了比较, 符合得很好.     

参数激励与晶体摆动场辐射的稳定性

寻找新光源, 特别是短波长相干光源备受关注. 本文讨论了晶体摆动场辐射作为短波长激光的可能性和必须满足的基本条件; 指出了至今尚未获得可利用的短波长激光可能不只是技术原因, 而且还有物理原因. 利用参数激励方法对这个问题进行了分析. 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具有阻尼项和参数激励项的摆方程. 利用Melnikov方法讨论了系统的稳定性, 并对系统的临界条件进行了分析. 结果表明: 系统的稳定性与其参数有关, 只需适当调节这些参数, 系统的稳定性就可以原则上得到保证. 关键词： 晶体摆动场辐射 沟道辐射 参数激励 稳定性     

基于HIRFL-CSR的高速高电荷态重离子与原子碰撞X射线谱学实验设计与研究

依据非相对论偶极近似、相对论程函近似、ECPSSR理论及平面波玻恩近似方法,计算了30~500 MeV/u的Ar18+、Kr36+和Xe54+离子与Ar、Kr和Xe原子碰撞过程中辐射电子俘获、非辐射电子俘获及内壳电离截面。在此基础上,结合光子探测器的能量分辨以及炮弹离子跃迁谱线的多普勒效应等因素,针对HIRFL-CSR实验环内靶装置上的X射线谱学实验,生成了各碰撞体系、能量和若干观测角度上的预期X射线谱。这些预期谱可以帮助我们筛选和优化碰撞体系、离子能量、观测角度、探测器类型、X射线窗及吸收片等实验条件,避免较弱的目标反应道被其他强反应道乃至其逃逸峰所掩盖或干扰,保证实验精度,提高束流利用效率。     

KCl晶体瞬态辐射谱时间分辨多道测量研究

报道了采用多通道光纤延迟和光学多道分析技术采集KCl晶体瞬态冲击辐射时间分辨光谱的新方法。多光纤延时耦合器由5条长度不等的光纤组成,光纤长度差决定延时时差,光纤出射光由透镜耦合进入多色仪,经色散后在面阵探测器上形成与信号光纤一一对应的光谱图形,经计算机处理获得该信号光的空间一时间分辨光谱。建立了实验装置,实现了KCl晶体冲击辐射谱时间分辨多道测量,时间分辨率达到20ns,谱强度分辨率1／18bit。     

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.     

成像光谱仪辐射测量一致性校正中插值方法选择

谱线弯曲破坏了色散型成像光谱仪光谱辐射能量采集的一致性,采用插值的办法对系统采集到的辐射能最数据依据无偏离波长定标数据重新采样,可以提高光谱辐射测量的一致性.选择恰当的插值采样方法尤为重要,直接影响校止后辐射能量偏差的剩余量,决定了校正效果的好坏.采用常用的线性、三点二次多项式、四点三次Lagrange、五点四次Lag...     

HL-1M装置等离子体的MARFE现象

在HL-1M装置上用分子束注入等离子体的气体加料方法提高了等离子体的电子密度。当线平均电子密度从 4× 10 13cm-3 上升到 7× 10 13cm-3 时 ,利用多道辐射损失测量系统测量到来自等离子体边缘的非对称辐射现象。在强场侧等离子体辐射损失功率密度大大高于弱场侧而线平均电子密度、OⅥ杂质谱线和Hα 谱线明显增加     

线电荷串产生的史密斯-帕塞尔辐射

采用积分方法分析了线电荷串,沿周期性理想金属光栅表面平行移动时产生的史密斯帕塞尔辐射。分别对短周期光栅、低能量线电荷串与长周期光栅、高能量线电荷串的辐射情况进行了数值计算。相对单个线电荷而言,N个线电荷与反射光栅作用产生的辐射场密度,在频率是线电荷串调制频率的整数倍处出现最大,辐射谱宽变窄;随电荷能量增高,辐射能量向高频方向移动,并具有强烈的定向性;可以通过调节线电荷调制频率等参量实现辐射电磁波频率锁定。研究结果表明,对高能量与低能量的电荷参量,适当选择光栅尺寸与线电荷串间隔周期,都可使辐射波工作于太赫兹波段。     

超晶格量子阱的沟道辐射及其谱分布

在经典物理框架内和偶极近似下,导出了超晶格量子阱沟道辐射频率和辐射谱分布。指出了对于自发辐射谱分布,存在一个普适的线型因子,而粒子的最大辐射能量与相对论因子γ有关,且与γ3/2成正比。以正弦平方势为例进行了具体讨论。结果表明,由于势阱深度和噪音的影响,谐波数l只取少数几个值。超晶格量子阱沟道辐射只存在不多的几条谱线,为进一步应用提供了可能。最后,还给出了一种可能的实验方案,讨论了如何利用弯晶把超晶格量子阱的沟道辐射改造为相干辐射。     

Feasibility of an electron-based crystalline undulator

The feasibility to generate powerful monochromatic radiation of the undulator type in the gamma region of the spectrum by means of planar channeling of ultrarelativistic electrons in a periodically bent crystal is proven. It is shown that to overcome the restriction due to the smallness of the dechanneling length, an electron-based crystalline undulator must operate in the regime of higher beam energies than a positron-based one does. A numerical analysis is performed for a 50 GeV electron channeling in Si along the (111) crystallographic planes.     

正弦平方势与沟道辐射谱线的自然展宽

指出了非线性效应、多普勒效应、晶格热振动、电子多重散射和偶极效应等对沟道辐射谱线宽度的影响;强调了辐射反作用对谱线宽度的影响是不可避免的。比较了不同的粒子-晶体相互作用势,并从正弦平方势出发,在小振幅近似下讨论了沟道粒子的运动行为;用摄动法求解了系统的特征方程,计算了沟道辐射谱线的自然展宽和频率漂移。最后,以正电子的Si(110)面沟道辐射为例,计算了它的辐射频率。结果表明,对于能量为E=56MeV的正电子,沟道辐射能量E=ω=36.0keV。     

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。     

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.     

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。     

周期弯晶作为束流控制元件的动力学稳定性

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具有阻尼项和受迫项的广义摆方程。利用Melnikov方法讨论了沟道运动次谐分叉及其稳定性, 导出了周期弯晶的临界条件和退道长度。结果表明, 要试图获得高的引出效率, 除了要求弯晶长度必须小于退道长度外, 还必须保证沟道粒子的运动是稳定的。对临界条件的分析表明, 系统的稳定性与它的参数有关, 只须适当调节系统参数, 就可以保证周期弯晶作为引出元件的稳定性。In the classical mechanics frame and with a dipole approximation the particle motion equation in the periodic bent crystal is reduced to the general pendulum equation with a damping term and the forced term by using the sine squared potential． This paper discusses the problem of the sub harmonic bifurcation of the periodic orbit and the stabilities of the channeling motion by using Melnikov method, so as to derive the critical condition and the dechanneling length of the periodic bent crystal. The results show that channeling motion must be stable in addition that the crystal length is smaller than the dechanneling length in order to ensure higher extracted efficiency. The analysis of the critical condition shows that the system stabilities are related to its parameters. Just by properly regulating the parameters of the system, the dynamic stabilities by the use of periodic bent crystal as beam control cell can be ensured.     

CAEPXFEL波荡器束线初步物理设计

中国工程物理研究院计划开展XFEL光源的研制,主要通过电子束在波荡器中的辐射特性产生硬X射线。根据理论分析和数值模拟,在电子束最高能量可达12GeV的实际条件下,初步设计了一条间隙可调的真空外波荡器束线,波荡器分为25段,每段长3.86m,间隙7~10mm,周期长度25.4mm,磁场0.636~1.03T,束线总长120m左右,辐射光子能量为3~25keV。     

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.