中国散裂中子源磁铁系统和样机研制

中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source, CSNS)快循环同步加速器(Rapid Cycling Synchrotron, RCS)磁铁由24块二极磁铁、48块四极磁铁、16块六极磁铁和若干斜四极磁铁以及校正磁铁组成, 其中二极磁铁和四极磁铁是带直流偏置的25Hz正弦交流励磁, 铁芯和线圈导体将产生不可忽视的涡流效应. 为了积累批量生产磁铁的制造经验, 探索磁铁后期处理和磁场测量方法, 已完成了中空水冷铝绞线试样线圈的研制, 启动了二极磁铁和四极磁铁样机的研制. 本文将对相关进展进行介绍.     

中国散裂中子源磁铁系统和样机研制

中国散裂中子源(china spallation Neutron source,CSNS)快循环同步加速器(Rapid cyclingSync,arotron,RCS)磁铁由24块二极磁铁、48块四极磁铁、16块六极磁铁和若干斜四极磁铁以及校正磁铁组成,其中二极磁铁和四极磁铁是带直流偏置的25Hz正弦交流励磁,铁芯和线圈导体将产生不可忽视的涡流效应.为了积累批量生产磁铁的制造经验,探索磁铁后期处理和磁场测量方法,已完成了中空水冷铝绞线试样线圈的研制,启动了二极磁铁和四极磁铁样机的研制.本文将对相关进展进行介绍.     

3D打印衍射元件的高分辨太赫兹计算机辅助层析成像研究（特邀）

提出了一种由三维打印技术制作的用于0.3 THz波束调控的二元相位型衍射透镜,可产生轴向焦深为25 mm、腰斑直径为1 mm的太赫兹聚焦波束。将该聚焦波束应用于连续太赫兹波计算机辅助层析成像,不仅将成像分辨率提高到1.5 mm,而且由于扩大了系统景深,提高了成像保真度。这类利用三维打印技术制作的二元衍射元件可有效应用于低频太赫兹波段的光束调控,为太赫兹成像系统的性能优化以及聚焦元件的设计制备提供一种有效途径。     

太赫兹源发散角测量技术研究

发散角是太赫兹源光束特性的重要衡量指标,是太赫兹光学系统设计的重要参数。研究了太赫兹源发散角测量原理,设计了一种由精密弧形导轨、斩波器、狭缝组件、太赫兹高莱探测器、锁相放大器和计算机系统组成的测量装置,设计了一种由自准直仪、光学角规和CCD相机组成的发散角测量装置标定模块,对太赫兹肖特基倍频源和太赫兹雪崩固态源的发散角进行了测量。此外,对测量结果不确定度进行了评定,其不确定度水平达到U_(rel)=3.2%(k=2)。太赫兹源发散角的准确测量为深空探测、战术通信、反隐身、战场隐蔽目标识别等领域提供了有力的支撑。     

基于太赫兹波探测的墙体并排钢筋检测系统

为解决现有的太赫兹墙体钢筋系统在多根并排钢筋检测时,由于相邻钢筋反射信号的串扰而导致无法测量的问题,提出了一种基于太赫兹波的墙体内多根并排钢筋的检测方法。通过在太赫兹源前加装可调透镜组,达到在钢筋埋深处聚焦波束的效果,解决太赫兹波束同时照射到相邻两根钢筋产生混叠影响测量的问题;同时利用改进的直径计算算法,实现存在埋深差的并排钢筋的检测。实验结果表明:在水泥埋深40mm,并排钢筋间隔25mm时,测量误差小于0.5mm,并且相邻钢筋在埋深差40mm(最浅埋深40mm)的情况下,测量误差小于1mm。     

中物院太赫兹自由电子激光装置现状及升级计划

中国工程物理研究院太赫兹自由电子激光装置（CAEP THz FEL, CTFEL）是国内唯一运行的基于超导加速器的高平均功率自由电子激光太赫兹源,具有频率连续在线可调(0.1～4.2 THz)、高峰值功率(＞0.5 MW)、高平均功率(＞10 W)、高重频(54.17 MHz)、短脉冲(～ps)、窄线宽（～2%）、全相干和线性偏振等特点。自2017年出光以来,已稳定运行了四年多,并开展了诸多应用实验研究。为进一步满足用户需求,CTFEL计划升级为一台红外太赫兹自由电子激光装置,电子束能量提升至最大50 MeV,频谱范围拓展至0.1～125 THz,同时,建设材料光谱和生物医学两个实验站。     

中物院1～4.2 THz FEL装置波导谐振腔优化设计

针对中物院高功率太赫兹自由电子激光（THz FEL）装置,结合FEL光腔振荡器实验的实际情况,提出了全波导近共心谐振腔设计方案。完成了THz波段波导光腔对光腔品质影响的理论分析和模拟计算,确定了波导设计尺寸为14 mm和22 mm。同时针对最初实验调试过程中无法出光饱和的问题,提出将波导更换为22 mm大尺寸波导的建议,波导更换后很快在2.56 THz获得饱和出光。另外针对实验频段无法覆盖到1～2 THz的问题,我们通过波导内壁粗糙度进行分析判断,提出采用14 mm铜材质的全波导FEL振荡器的设计方案,采用该方案后,实验成功将辐射频段拓展到0.7～4.2 THz,获得饱和输出。     

THz自由电子激光椭圆型耦合输出光腔

在对中国工程物理研究院高功率太赫兹（THz）自由电子激光（FEL）装置理论分析和设计的基础上,针对目前THz FEL光腔设计面临的主要难点,提出了椭圆型耦合输出光腔的设计方案,并对椭圆型耦合输出光腔代替传统FEL光腔的优势、光腔品质、耦合效率等进行了分析研究。研究表明,椭圆型耦合光腔的设计更适合目前THz FEL波导光腔的光斑特点,可使光腔输出功率提高33%以上,输出耦合效率即光腔品质可提高30%~70%;随着辐射频率的提高,椭圆孔耦合输出光腔的优势提高更为明显。     

一种有效提高太赫兹时域光谱装置成像空间分辨率的方法

太赫兹波成像技术一个最显著的制约因素是其有限的空间分辨率。提出通过在样品前加小孔的方法来提高传统太赫兹时域光谱装置成像的空间分辨率。采用在样品前约2 mm处加直径为0.5 mm小孔的方法使成像的空间分辨率从1.276 mm提高到0.774 mm,提高0.502 mm,约39％。通过这个简单的方法在传统的太赫兹时域光谱成像装置上实现了空间分辨率从毫米量级到亚毫米量级的提高。聚乙烯板上直径为1 mm的小孔被作为成像的研究对象,分别采用传统的太赫兹时域光谱装置对样品进行直接成像和在样品前约2 mm处加直径为0.5 mm的小孔后对样品成像两种方式,并采用损失成像中信噪比较好的能量损失成像,对比两种方式得到的样品的太赫兹像,结果显示聚乙烯板上小孔的边界加小孔后成像比不加小孔直接成像明显清晰。证实了在样品前加小孔可以有效的提高太赫兹成像系统的空间分辨率。从理论上对通过在样品前加小孔提高系统空间分辨率的方法进行了分析,指出小孔尺寸越小,系统的空间相干长度越大,空间分辨率越高,但同时太赫兹信号的强度会相应减小。该方法可以简单有效的提高太赫兹时域光谱装置成像的空间分辨率,从而进一步拓展太赫兹谱成像技术的应用领域。     

一种有效提高太赫兹时域光谱装置成像空间分辨率的方法

太赫兹波成像技术一个最显著的制约因素是其有限的空间分辨率。提出通过在样品前加小孔的方法来提高传统太赫兹时域光谱装置成像的空间分辨率。采用在样品前约2 mm处加直径为0.5 mm小孔的方法使成像的空间分辨率从1.276 mm提高到0.774 mm, 提高0.502 mm, 约39％。通过这个简单的方法在传统的太赫兹时域光谱成像装置上实现了空间分辨率从毫米量级到亚毫米量级的提高。聚乙烯板上直径为1 mm的小孔被作为成像的研究对象, 分别采用传统的太赫兹时域光谱装置对样品进行直接成像和在样品前约2 mm处加直径为0.5 mm的小孔后对样品成像两种方式, 并采用损失成像中信噪比较好的能量损失成像, 对比两种方式得到的样品的太赫兹像, 结果显示聚乙烯板上小孔的边界加小孔后成像比不加小孔直接成像明显清晰。证实了在样品前加小孔可以有效的提高太赫兹成像系统的空间分辨率。从理论上对通过在样品前加小孔提高系统空间分辨率的方法进行了分析, 指出小孔尺寸越小, 系统的空间相干长度越大, 空间分辨率越高, 但同时太赫兹信号的强度会相应减小。该方法可以简单有效的提高太赫兹时域光谱装置成像的空间分辨率, 从而进一步拓展太赫兹谱成像技术的应用领域。     

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.     

Compact THz radiation source based on photocathode RF gun

Terahertz (THz) science and technology have already become the research highlight at present. In this paper, we put forward a proposal to generate THz radiation at tens of MW peak power. As a result of the ultrafast laser and the high accelerating field of photocathode RF gun, we can generate and accelerate an electron beam to several MeV, of which the bunch length is less than sub-ps. When the short electron bunches are injected into the wiggler, THz radiation based on Coherent Synchrotron Radiation could be achieved with tens of MW peak power. The whole THz FEL facility can be scaled to the size of a tabletop.     

Compact THz radiation source based on photocathode RF gun

Terahertz (THz) science and technology have already become the research highlight at present. In this paper, we put forward a proposal to generate THz radiation at tens of MW peak power. As a result of the ultrafast laser and the high accelerating field of photocathode RF gun, we can generate and accelerate an electron beam to several MeV, of which the bunch length is less than sub-ps. When the short electron bunches are injected into the wiggler, THz radiation based on Coherent Synchrotron Radiation could be achieved with tens of MW peak power. The whole THz FEL facility can be scaled to the size of a tabletop.

     

一种用于波荡器磁中心高精度标定的磁靶标

波荡器磁中心轴的标定是保证自由电子激光装置波荡器安装准直精度的重要前提。介绍了一种利用磁靶标实现波荡器磁中心高精度标定的方法。设计制造了由若干块永磁块组合构成的磁靶标,其能产生一正一斜两个高梯度四极场。测出了两四极场垂直分量的零点位置分布并依此给出了磁靶标的具体使用方法。结果表明:标定后的波荡器磁中心在磁靶标坐标系中水平方向测量精度好于±20 μm,垂直方向测量精度好于±2 μm。     

中物院高功率THz FEL装置的理论分析和优化设计

在1~3 THz频段内设计了11个分点频率,对每一频率的对应的场强和电子束能量进行了选取和计算。模拟结果表明:采用目前参数基本能够达到设计要求;辐射频段在2.6 THz附近时装置输出功率和增益都比较高,可以先锁定这个频段附近进行实验的调试;在长波段即1 THz左右时,滑移效应显著,腔增益和输出功率较低,实验实现比较困难,因此在1 THz频段附近必须积极想办法来提高输出功率。     

准矩形截面强流相对论带状电子束的传输

提出利用准矩形截面带状电子束传输强电流.相对于目前广泛采用的椭圆形截面带状电子束,在大横纵比,即电子束的宽度(横向)远大于厚度(纵向)的情况下,其厚度沿横向更加均匀,利用冷阴极爆炸发射容易产生.该电子束利于高功率微波发生器中腔体模式的控制和束波作用效率的提高,如果利用模块化的结构还可使阴极及聚焦磁铁在宽度上的扩展更加容易.首先给出了准矩形截面带状电子束空间电荷场的典型分布,然后根据该分布和束匹配的方法对相互独立的周期会切磁铁和边聚焦磁铁分别进行了设计.其中边聚焦磁铁的磁化方向与以往的纵向不同,为横向磁化,其激励的边聚焦磁场在电子束宽边的边缘附近的梯度更大,有利于横向的束匹配.最后根据理论分析的结果进行了粒子模拟.结果表明,300keV,3kA的准矩形截面强流相对论带状电子束可以在0.163T的周期会切磁场和0.064T的横向磁化边聚焦磁场中稳定传输,电流传输效率大于98%.     

紧凑型THz源的史密斯-帕塞尔辐射模拟

 采用模拟和数值计算的方法,研究了THz波段的受激史密斯-帕塞尔辐射特性。实验装置以“上海电子束离子阱”为原型,采用紧凑型设计以便最终实现其可移动性。束流动力学模拟表明,此装置采用强磁场,可以得到平均流强为0.2 A、束流半径为75 μm的高品质电子束,为电子束工作在自由电子激光模式下创造了条件。基于Andrews和 Brau的理论,优化了光栅参数,保证了辐射角度在60°。其中消散场的计算频率为0.365 9 THz。采用particle-in-cell(PIC)程序模拟了光栅表面的辐射场以及电子的动力学特性。模拟结果表明电子有群聚效应,且二次谐波（0.723 THz,约为消散频率的2倍）得到增强。采用后处理方法计算了史密斯-帕塞尔辐射的功率空间分布。计算显示辐射角度与理论角度相一致,表明了方法的有效性。输出的功率约为2 mW。     

Development of an Algorithm for Magnet Sorting and Field Shimming for TPS Elliptically Polarized Undulators

A spatially periodic magnetic field is essential to cause an electron beam to wiggle and to emit electromagnetic radiation in a synchrotron (SR) source of radiation, and to provide fully coherent light in free electron lasers (FEL). To create this field, permanent magnets (PM) or electromagnets are patterned in a device commonly called an insertion device for SR and a radiator or modulator for FEL. In reality, magnet blocks or iron poles are not identical, in terms of geometry and magnetic properties, even with progressive manufacture. Compensatory methods are thus desired to recover the magnetic field and also to decrease the duration of construction. Magnet sorting is a pre-process that aims to eliminate the effect of manufacturing error. Before assembly of an insertion device, data of each component, especially the magnetic properties of each magnet block and the gap variation of mechanical structure, are organized to optimize the performance of the magnetic field. After that process, there is sometimes an optimization to shim the magnetic field. An effective algorithm of both processes is significant, particularly for a long undulator and an elliptically polarized undulator (EPU).     

Study on the characteristics of linac based THz light source

There are many methods based on linac for THz radiation production.As one of the options for the Beijing Advanced Light, an ERL test facility is proposed for THz radiation.In this test facility, there are 4 kinds of methods to produce THz radiation: coherent synchrotron radiation (CSR), synchrotron radiation (SR), low gain FEL oscillator, and high gain SASE FEL.In this paper, we study the characteristics of the 4 kinds of THz light sources.     

Evolution of the high power THz source program at Jefferson Lab

We report the evolution of the high power THz source program at Jefferson Lab. The source is based on coherent synchrotron radiation in which short bunches of relativistic electrons radiate when traversing a dipolar magnetic field. In our first accelerator we produced 20 W of broadband THz light. Our upgraded accelerator with higher current and improved THz extraction optics will considerably enhance the output power to >100 W. In this paper we describe the source in some detail and present theoretical calculations for the upgrade.