三维FEL振荡器的数值模拟

在３８６微机上建立了三维ＦＥＬ单模，多模振荡器模拟程序，并用该程序进行了计算。发现：１．对单模，在足够多的振荡次数的条件下（ａ）非理想入射，发射度，能散度对激光饱和功率的影响程度在一定范围内不显著，而且随输出耦合系数的降低而变弱。在输出耦合为２％时，小程度的非理想入射的饱和功率反而超过正入射；（６）非理想入射对饱和情况下的激光品质的影响也不显著，并随输出耦合系数的降低而变弱。２．对多模，在高输出耦合的情况下，边带将受到抑制而不能增长。非理想入射、发射度都会减慢边带的增长。     

横模谱方法与孔耦合FEL振荡器数值模拟

横模谱方法广泛应用于自由电子激光振荡器数值模拟。以孔耦合波导FEL振荡器的模型问题为例,通过对数值结果的分析和比较,说明横模谱方法的应用效果取决于诸多物理因素,在孔耦合情形下,主要取决于孔耦合效应及其引起的腔内光场横模结构的发展变化。     

横模谱方法与孔耦合FEL振荡器数值模拟

 横模谱方法广泛应用于自由电子激光振荡器数值模拟。以孔耦合波导FEL振荡器的模型问题为例,通过对数值结果的分析和比较,说明横模谱方法的应用效果取决于诸多物理因素,在孔耦合情形下,主要取决于孔耦合效应及其引起的腔内光场横模结构的发展变化。     

PADE'逼近在FEL数值模拟中的应用

应用PADE'逼近方法构造出高阶格式,对一类简单方程组,该方法可导出一种快速递推算法,它能满足这类简单方程自身存在的守恒要求。     

远红外FEL摇摆器的改进及调试

摇摆器是相对论性电子束与光场相互作用的区域，在FEL研究中起着至关重要的作用。在电子束品质(能散、发射度、流强等)一定的情况下，摇摆器的性能参数，如峰值场强、峰峰值误差、好场区大小等就基本决定了FEL增益。中物院远红外。FEL摇摆器由于受使用寿命及国内加工水平不够等因素影响，其整体性能在使用3年后发生了较大变化，已不能再满足下一阶段FEL受激辐射研究的需要。概括起来有以下5点：峰值场强的设计值为0．3000T，研制完成时的实际值约为0．2900T，现已下降至0．27T。峰值场强的下降不但会引起总体设计波长的漂移，而且会导致FEL小信号增益的下降；研制完成时的峰峰值误差为1．4％，现在的最好状态为2．5％。峰峰值误差过大将导致FEL谱线展宽，     

自由电子激光振荡器的二维数值模拟

在柱二维坐标系中,用数值计算方法求解了摇摆器内电子模拟方程组、光场方程组和无源区(不含摇摆器区)经非自适应方法变换后的无源旁轴波动方程并设计了相应的程序R_2D。用该程序计算的数值结果表明,在有源条件下二维数值模拟结果与高斯光束近似下的数值模拟结果符合较好;取完全相同的计算条件R-2D程序与洛斯阿拉莫斯实验室(LANL)的FELEX程序的计算结果符合较好;初步认为LANL实验数据的物理图象合理,数值结果基本可信;最后给出北京自由电子激光器(BFEL)的一些物理数据。     

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。     

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。     

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。     

远红外自由电子激光光腔改进的模拟分析

提出在中物院远红外自由电子激光光腔中全程采用波导对光场进行约束,利用计算光束与电子束横向叠合因子分析了光腔中是否加入波导管对腔内净增益的影响。模拟了减小波导管间隙和提高扭摆器峰值磁场场强对腔内增益的影响。3维数值模拟计算表明在光腔中加入波导使扭摆器净增益由-6%提高到约25%;波导管的间隙每缩小2 mm,腔内净增益提高7％~15％;场强每提高0.02 T,腔内净增益可增加5%~10%。     

远红外自由电子激光光腔改进的模拟分析

 提出在中物院远红外自由电子激光光腔中全程采用波导对光场进行约束,利用计算光束与电子束横向叠合因子分析了光腔中是否加入波导管对腔内净增益的影响。模拟了减小波导管间隙和提高扭摆器峰值磁场场强对腔内增益的影响。3维数值模拟计算表明在光腔中加入波导使扭摆器净增益由-6%提高到约25%;波导管的间隙每缩小2 mm,腔内净增益提高7％~15％;场强每提高0.02 T,腔内净增益可增加5%~10%。     

远红外自由电子激光器的整体数值模拟

 基于中物院远红外自由电子激光装置，采用一种注重横向问题的整体数值模拟方法进行了计算。并将结果与随机抽样的计算结果作了比较，发现两者差异较大，自由电子激光的性能强烈地依赖于电子束性质。采用这种整体数值模拟方法对于较准确地计算和预计自由电子激光器诸光学参量是必要的。     

波导FEL振荡器的孔耦合输出特性

波长５００μｍ的远红外自由电子激光振荡器，是由平面被导和两个对称金属柱面镜组成的半封闭光腔．由于反射镜具有反射率，在下游镜的轴上开一个半径为Ｒｈ的圆孔来输出功率．孔耦合输出是一种简单、有效的输出方式，并可以广谱输出．缺点是抽取率随波长变化，计算很复杂．本文给出了用三维程序数值模拟结果．给出了腔内功率，输出功率，抽取率及腔镜边缘的衍射损失随小孔半径的变化．结果表明，选取适当的孔径，既可以有效地输出功率，又能保持较高的腔内功率和较纯净的腔模．     

远红外自由电子激光器的整体数值模拟

基于中物院远红外自由电子激光装置,采用一种注重横向问题的整体数值模拟方法进行了计算。并将结果与随机抽样的计算结果作了比较,发现两者差异较大,自由电子激光的性能强烈地依赖于电子束性质。采用这种整体数值模拟方法对于较准确地计算和预计自由电子激光器诸光学参量是必要的。     

同轴反射三极管振荡器的数值模拟

 提出了一种新型的同轴反射三极管振荡器并对其进行了数值模拟研究。新模型在阴极底座处延伸出一定半径和长度的内导体到互作用区,使得互作用区有了一定的电场梯度,有助于电子在虚阴极和阴极之间来回反射。另外,阴极内导体的引入也使得该器件要求的电子束阻抗可以较高,阴阳极间距可以较大。在电子束电压和电流分别为590 kV和19.1 kA、输出区波导半径为5.6 cm、二极管阴阳极间距为2.5 cm时,通过参数优化,模拟得到输出频率、周期平均功率和效率分别为3.62 GHz,1.7 GW和15%的微波输出。对器件的物理机制进行了初步分析,结果表明反射电子的振荡对微波的产生起主要作用。     

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。     

远红外自由电子激光装置束流传输线的设计与整体数值模拟

提出了ＣＡＥＰ（中国工程物理研究院）远红外自由电子激光装置束流传输线的设计，给出了各元件的设计参数，并进行了束流传输整体数值模拟，最后得到摇摆器入口处电子束团的主要参数：能量２ＭｅＶ，峰值电流１７Ａ，脉冲宽度１４ｐｓ（ＦＷＨＭ），束归一化发时度１４πｍｍ·ｍｒａｄ（水平）和５πｍｍ·ｍｒａｄ（垂直），束团整体能散度１．２７％，束归一化亮度５×１０￣（１０）Ａ／ｍ￣２·ｒａｄ￣２。整体数值模拟结果表明：电子束品质完全满足摇摆器的要求。     

射频远红外波导自由电子激光器的新特性

将射频调制的超短脉冲电子束理想化为一系列δ时间函数,提出了用波导本征模展开的方法计算波导自由电子激光器中超短脉冲电子束的相干同步辐射.结果发现当谐振频率等于直线加速器射频的整数倍时,辐射模式表现为”纯”的波导本征模另外分析了超短脉冲在矩形波导中相干发射的频率特性和滑移问题,最后推导了有一定脉宽的矩形脉冲对辐射波的增益解析式.     

基于圆盘加载波导的THz分布作用振荡器的数值模拟

提出了一种新的基于真空电子学的THz源——基于圆盘加载波导的THz分布作用振荡器（EIO）,它由圆盘加载波导输入谐振腔、漂移管和输出腔构成。利用2.5维电磁仿真软件UNIPIC对其进行了模拟研究,结果表明慢波结构的长度、漂移管的长度和输出腔的半径对输出功率和频率产生显著影响。经过最优化设计,在注电压为24.85 kV、电流为20 mA的条件下,仿真得出其中心频率为755.5 GHz、峰值功率为1.322 5 W的THz波。