曙光一号自由电子激光实验

叙述了曙光一号装置（ＳＧ－１ＦＥＬ）继１９９１年首轮实验后安排的第二轮实验，由于注入器设计和新的天鹅绒阴极材料的使用，使电子束亮度有较大提高，在数值模拟基础上，省去了长９ｍ的束流调制区，而改用２ｍ束流传输段。实验表明，自发辐射放大（ＡＳＥ）的输出功率接近１００ｋＷ，指数增益系数约２０ｄＢ／ｍ，在相互作用区自由电子激光功率呈良好的指数增长；磁场失谐曲线与数值模拟基本一致，摇摆器内通过的电流基本保持在６００Ａ左右，从而验证了双向聚焦的摇摆器设计达到了预期目标。     

曙光一号自由电子激光实验的理论分析

对曙光一号自由电子激光实验方案和结果进行了系统的理论分析和数值计算。首先用实测的束流发射度ε＿Ｎ＝０．３６～０．６３ｒａｄ·ｃｍ论证了电子束可以不经调制而由束流传输段直接进入摇摆器达到有效产生自由电子激光。其次用编制的三维电子束传输程序模拟２ｋＡ强流束从加速器出口到摇摆的器入器传输过程。最后根据实测参数，使用ＣＥＢＱ程序和ＷＡＧＦＥＬ程序，对曙光一号ＡＳＥ实验、功率放大实验和磁场失谐曲线进行的计算表明，曙光一号束流发射度大约在印ε＿Ｎ＝０．６１～０．８ｒａｄ·ｃｍ附近；ε＿Ｎ＝０．８ｒａｄ·ｃｍ时，上述实验与曲线的理论计算基本一致；曙光一号双向聚焦摇摆器设计是成功的；从功放结果分析，磁控管输入摇摆器的ＴＥＯ１模的功率约为５０Ｗ，并对下一轮实验提出了改进意见。     

曙光一号自由电子激光装置出光

为了对自由电子激光(FEL)进行基本物理研究,中国工程物理研究院设计建造了曙光一号自由电子激光装置(SFLE),并于1991年9月17日首次出光。     

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。     

曙光一号自由电子激光自发辐射放大的理论计算

曙光一号自由电子激光装置用自发辐射放大(ASE)机理,在毫米波波段测得了数百毫瓦的光信号输出。利用三维WAGFEL程序,结合曙光一号直线感应加速器型自由电子激光放大器参数,详细地分析了自发辐射放大的增益、输出功率随电子束的质量(包括束流能散度、流强、发射度等因素)的变化情况,给出了相应的定标关系;并且考察了摇摆场随机误差对自发辐射放大功率的影响。最后对自发辐射放大的实验结果进行了分析。     

曙光一号自由电子激光强流电子束的数值模拟

根据曙光一号自由电子激光实验的需要，将国外二维ＥＢＱ程序发展为三维强流束数值模拟程序（ＣＥＢＱ）。ＣＥＢＱ既能计算轴对称问题，还能计算磁四极子、束流偏轴和斜入射等三维问题。对强流束的自生电磁场效应，与ＥＢＱ程序一样，只考虑线性近似而略去了高阶项。使用ＣＥＢＱ程序对曙光一号装置进行了计算，对摇摆器入口处的椭圆形挡板进行了论证。数值结果表明，椭圆形档板对提高束流品质，有效地产生自由电子激光是必要的。这一结果和第二轮曙光一号实验的测量结果基本一致。     

短波自由电子激光放大器数值模拟

介绍在理论上研究自由电子激光(FEL)的MICFEL程序。MICEFL是以单粒子理论为基础的二维放大器程序。利用MICFEL计算的Paladin实验结果与FRED程序计算结果以及25米Paladin实验结果相比均基本符合。理论计算的结果显示了FEL增益光导的特性。     

自由电子激光放大器的理论分析

本文从单粒子模型出发,对自由电子激光放大器在小信号情形下的工作机理与参量特性进行了比较详细的分析与讨论,结果表明自由电子激光放大器实质上是电子束与快迴旋波的相互作用,而电子在轴向均匀静磁场及横向周期静磁场中运动的迴旋谐振条件对这种相互作用有重大的影响,本文对放大器的参量(如电子束的电压和电流密度、轴向及横向静磁场强度、横向静磁场波长等)与放大器的中心工作频率、放大带宽、小信号增益和放大电磁波的波数的关系进行了数值计算,并指出了最佳设计的途径,经过适当设计,自由电子激光放大器的小信号增益达到10^-2厘米^-1或1米的e倍距离并有足够的带宽是不难的。 关键词：     

曙光一号自由电子激光器的理论计算

系统总结曙光一号自由电子激光器理论计算的主要结果:包括曙光一号装置主要参数的选取和理解;磁场失谐曲线的计算;常参数摇摆器和变参数摇摆器的主要结果;高阶波导模的贡献;电子束参数扰动对激光性能的影响;空间电荷效应等。计算结果表明,常参数摇摆器激光输出功率可达80MW,效率约50％;变参数摇摆器激光输出功率可达250MW左右,效率约16％。     

曙光一号自由电子激光器边带不稳定性研究

结合曙光一号自由电子激光器的实际条件,在WAGF EL程序的基础上考虑了光脉冲和电子脉冲因速度不同而引起的滑移,使处在有质动力势阱中的电子因同步振荡位相的不同而发生耦合,使激光强度的调制出现边带不稳定增长而导致光束质量变坏。程序的考察通过利弗莫尔实验室 GINGER程序的结果进行,以确保计算结果的可靠。在此基础上对曙光一号自由电子激光器的边带进行了计算。     

曙光一号自由电子激光器束调节研究

简单介绍了曙光一号自由电子激光器实验布局．着重就束调节方案进行了数值模拟和实验研究，给出了束流调试结果,并进行了分析；当进入摇摆器的束流为950A，摇摆器磁场为0.31T，在摇摆器长度为2．4m的位置,获得了50MW的饱和功率，经变参数实验后输出功率提高到140MW．     

自由电子激光放大器的小信号理论

本文根据单粒子模型阐述了自由电子激光放大器的工作原理,通过将电子运动方程线性化导出了小信号增益。结果表明,当电子束有合适的初速分布,周期静磁场和入射电磁波有确定的相位关系,并且满足电子与波的同步条件和电子回旋谐振条件时,电子能持续地和最有效地将能量交给入射电磁波,从而实现激光放大。     

自由电子激光放大器频谱振荡现象的研究

本文从单粒子模型出发,导出了考虑相对论能量因子一级扰动量影响的色散方程。结果表明:当入射电子能量足够大时,自由电子激光放大器出现频谱振荡现象,产生这种现象的原因是由于相对论能量因子的扰动作用。文中对此进行了比较详细的讨论。 关键词：     

变参数自由电子激光放大器的设计方法

据自由电子激光原理,利用变参数摇摆器设计可以大幅度提高自由电子激光放大器的效率,在分析文献中所提出的“单电子共振”和“磁场指数下降法”基础上,提出了变参数摇摆器的“多电子自洽设计和最佳选择”的设计方法。经数值计算证明,所提出的方法明显优于其它方法。     

环形束超辐射自由电子激光实验

本文叙述了1987年10月我们用500keV.1kA环形电子束进行的喇曼型自由电子激光(FEL)实验。空芯石墨阴极发射的环形电子束外径4cm,在轴向磁场引导下通过内径5.2cm的不锈钢漂移管,束厚0.1cm。互作用区由空间周期长度λ_w=2cm的双螺旋线摇摆器组成,进出端均为绝热过渡。测量到10MW的32GHz微波辐射,效率为1.6％。输出功率与互作用区长度的关系表明辐射增长率为2dB/cm。用波导色散线和带通滤波器测量到辐射频率在27-38GHz间可调。     

中物院远红外自由电子激光实验研究

中国工程物理研究院基于射频直线加速器技术的远红外自由电子激光(FIR-FEL)实验取得阶段性进展,于2005年3月24晚8时30分首次出光, 并多次重复. 中心波长115μm, 谱宽1%.介绍了实验系统的主要组成部分和主要实验结果.     

放大器型自由电子激光饱和功率的定标定律

用量纲分析和数值计算相结合的方法,给出常参数放大器型毫米波自由电子激光基模辐射的饱和功率和饱和长度的一套定标定律。     

毫米波圆柱波导自由电子激光放大器的数值模拟

本文以单粒子理论为基础，在不计空间电荷效应的近似条件下推导了带轴向引导磁场的三维圆柱波导非线性模拟方程组。用CAGFEL程序计算、分析了在带入口区、常数摇摆器条件下两组不同物理参数的自由电子激光放大器的物理模型。计算结果可靠，物理图象合理。对于其中的第二组参数还着重考查了光波频率、输入功率和摇摆器场振幅改变对输出功率和效率的影响。上述这些计算结果对0．7MeV 自由电子激光放大器的设计和实验具有一定的参考价值。     

自由电子激光

自由电子受激发射的原理早在1951年莫茨(Motz)[1]就提出过,他认为电子行经电场或磁场时产生辐射,辐射的频率取决于电子的速率.电子能量从1MeV到1GeV的范围可产生从微波至硬 X 射线的频谱.他认为将电子束聚焦,可以使一群电子相干地辐射。相干辐射的功率比非相干辐射高约106的量级.这个设想在1953年虽然进行过实验,但未获成功.直到六十年代后期与七十年代初期,由于相对论强流电子束与高能电子加速器装置的发展,对自由电子受激发射开展了大量的实验与理论研究.典型的报导文章有[2-7].自由电子微波激射的实验成就推动着自由电子激光的发展.本…