北京自由电子激光装置的设计研究

北京自由电子激光装置(BFEL)是一台工作在中红外区的康普顿型FEL振荡器。由一台30MeV的射频电子直线加速器提供电子束。特点之一是用微波电子枪作为高亮度注入器。本文首先概述了BFEL的一般情形和物理参数.接着用解析公式和模拟的方法论证了电子束的设计目标和激光器的运转特征。最后阐述了BFEL各部分采取的技术路线的特点,内容包括微波枪、加速器和微波系统、调制器、输运系统、摇摆磁铁、光学腔、电子束诊断、准直、自发辐射和激光实验。     

对非线性康普顿散射几种改进物理模型的比较

非线性康普顿散射被认为是未来超短超强激光与物质相互作用中的主导性物理过程之一。目前大多数相关研究都基于一种主流的非线性康普顿散射物理模型,该模型假设辐射形成距离足够短、对初态和末态自旋求平均与求和、并忽略了参与散射的激光光子的能动量。近年来,一些研究为了在更广阔的参数空间内,更准确地描述非线性康普顿散射,也对这个主流物理模型提出了几种修正和改进。回顾了对非线性康普顿散射主流物理模型进行的几种改进和修正,介绍了它们的适用范围,分析了它们的基本性质并对其物理效应进行了简单讨论。     

北京自由电子激光器外注入实验系统设计研究

北京自由电子激光器(BFEL)是一台工作于中红外区Compton型FEL振荡器。本文结合BFEL装置,设计了一套完整的激光外注入光路,利用声光调QCO_2激光器产生的10.6μm激光做激励源注入到BFEL光腔中,以缩短振荡建立时间,提高BFEL输出能量,改善输出激光的相干性。模拟计算结果是:当BFEL光腔中的外注入光强为自发辐射强度的10~5倍时,可使饱和振荡建立时间缩短35％,输出能量提高2倍。     

康普顿散射中反冲电子方向的正确画法

指出了某些教材中康普顿散射示意图画法的不妥之处,并严格推导了康普顿散射中反冲电子的散射角,给出了正确的康普顿散射示意图.     

偏振X射线荧光分析尾矿薄层样品的散射校正方法研究

了解尾矿浆中的重金属元素含量能为矿物浮选提供决策依据,不仅可以提高矿物的利用率,还可减少环境污染。X射线荧光光谱法是一种常用的重金属元素分析技术,对于地质类样品的分析,康普顿散射内标法是一种常用的定量方法。但对于薄层沉积样品,其康普顿散射峰强度会受到支撑滤膜的散射影响。由于样品紧密附着在支撑滤膜上,难以直接获得来自样品本身的康普顿散射强度,不利于直接应用康普顿散射峰强度进行定量分析。以尾矿薄层样品为分析对象,研究了不同聚丙烯滤膜厚度对康普顿散射峰强度的影响,并对薄层样品的康普顿散射强度进行了校正。实验结果表明,在0.34～3.06 mm厚度范围内,康普顿散射峰强度随聚丙烯滤膜厚度的增加线性增加,通过建立探测器获得的总康普顿散射强度与滤膜厚度的线性关系,计算出样品的净康普顿散射峰强度。为验证该修正方法的可靠性,利用蒙特卡洛方法模拟研究了无滤膜的尾矿样品和带有不同厚度滤膜的尾矿样品,结果显示经滤膜厚度影响修正后的净康普顿散射峰强度与无滤膜样品康普顿散射峰强度基本一致,相对偏差为0.41%。同时通过实验和模拟计算了0.34 mm厚聚丙烯滤膜时修正后的净康普顿散射峰强度占总康普顿散射峰的比例,分别为91.31%和89.91%,二者基本一致。最后,利用了上述基于滤膜厚度康普顿散射影响的校正方法,建立了基于康普顿散射内标法的定量校准曲线,对两种尾矿浆中的Cu,Zn和Pb元素的定量分析结果显示,未经滤膜厚度修正的康普顿内标校正相比校正前,部分元素定量结果与ICP-OES结果相比,其相对偏差反而增加3.18%～9.00%。而经滤膜厚度修正的康普顿内标方法的定量结果与ICP-OES结果的相对误差在1.14%～11.15%之间,相比于校正之前,相对偏差减少了0.30%～8.97%。     

BFEL光学谐振腔真空机械五维精密遥控调节装置

论述了北京自由电子激光(BFEL)光学谐振腔真空机械五维精密遥控调节装置的设计考虑.讨论了自由电子激光谐振腔不同于一般激光谐振腔的特点.介绍了通过波纹管实现光腔真空室内外的位移及角度调节的传递方法.采用粗细精三级传动精度设计,使BFEL光腔腔镜不仅具有五维的精密遥控调节机能,而且实现了调节范围±5mm,分辨率2μm,角度调节范围±3°,分辨率0.5″的实验结果.该机构自1992年以来一直用于BFEL装置的出光实验中.     

射频自由电子激光的科学应用

综述了近年来射频自由电子激光器上已经做的和可能做的科学实验。针对10.6μm射频型北京自由电子激光器(BFEL)的特点,提出科学应用研究的方向,以及把实验型高功率BFEL发展为应用型所要做的改进。     

浅析影响康普顿谱线位置的因素

康普顿散射中影响康普顿谱线位置的因素是十分复杂的,文章主要针对影响康普顿谱线位置的几个因素作了理论探讨,得出影响因素主要在于:电子具有初速度会增大散射波长的改变量;束缚能的存在要减小峰值波长的改变量;双光子散射和二次散射与谱线峰值位置的关系不大,二者对峰值波长的改变是不确定的、复杂的、在连续的范围内变化的.最后对康普顿谱线位置和康普顿轮廓的理论研究和应用前景作了展望.     

π±介子上康普顿散射过程的重新计算

用微扰量子色动力学重新计算了π^±介子上的康普顿散射过程的截面和相位.此计算把实康普顿散射作为虚康普顿散射的一种极限情形进行了处理,重点是通过比较不同模型的分布振幅对物理可观察量的影响,说明分布振幅在端点区域的行为对康普顿散射过程截面和相位的影响,由此探索用微扰量子色动力学计算这个问题的自洽性问题.     

γ射线的康普顿散射

研究γ射线的康普顿散射,测量散射光子能量与散射角θ的关系;确定θ和康普顿散射的微分截面。     

北京自由电子激光器电子束截面监测系统

报告了北京自由电子激光器(BFEL)从30MeV直线加速器出口到摇摆磁铁出口束流输运段的束流截面监测系统。该系统由四台遥控气动可伸缩荧光屏探头、光学放大系统、闭路电视摄象系统及视频图象处理系统组成。利用该系统进行模拟实验,其系统空间分辨率约100μm,达到BFEL总体要求。利用该系统可以测量摇摆磁铁入口处及内部电子束和准直激光的截面、位置和畸变,进行束流准直、聚焦和发射度测量。     

北京自由电子激光器的光学速调管结构

采用KMR方程,结合即将运转的北京自由电子激光器总体实验参数,对其光学速调管结构研究.详细分析计算输入功率、电子束能散度、色散磁场、漂移空间长度及位置、以及电子束流等参数对光学速调管增益的影响.基于北京自由电子激光器的振荡器结构,提出一组对电子束能散度要求适中的实用化光学速调管参数.并对其饱和功率、功率谱以及渐变摆动器进行分析.     

渡越辐射及其在北京自由电子激光置束测中的应用

 在北京自由电子激光器装置的性能改进中,采用了基于渡越辐射的电子束诊断方法。描述了渡越辐射应用于电子束参数测量的基本理论,介绍了BFEL中利用渡越辐射进行的实验方案,并报导了初步的结果。     

摆动器场误差对自由电子激光器自发辐射谱的影响

在考虑平面型摆动器（Ｗｉｇｇｌｅｒ）场误差△Ｂ（ｚ）的情况下，求解电子在磁场中运动的洛仑兹（Ｌｏｔｅｎｔｚ）方程，得到场误差对电子横向速度的改变，然后作傅里叶变换即为电子自发辐射谱的改变，并讨论了各种场误差对自由电子激光器自发辐射谱的影响，选择北京自由电子激光器（ＢＦＥＬ）参数，进行模拟，最后确定出各种场误差的可接受条件。     

关于热阴极微波电子枪中电子反轰问题的研究

 提出了热阴极微波电子枪的设计中可以通过缩短腔长减小电子反轰功率，并通过模拟计算详细研究了腔长对电子反轰及枪出口束流品质的影响。     

BFEL激光能量的计算

 为进一步提高BFEL的小信号增益和确定激光能量等性能参数,用定态和非定态程序对BFEL激光的能量进行了计算和分析。计算结果表明:采取适当措施,将电子束的发射度由50 pmm·mrad降低到30 pmm·mrad,电子束宏脉冲宽度由5.0 ms增加到6.5 ms,激光传输效率由40%增加到80%,BFEL的小信号增益将由16%增大到28%,输出激光的能量也将提高近一个量级。     

BFEL实现红外和X射线双波段运行的初步设计

 讨论了北京自由电子激光装置升级后实现红外和X射线双波段运行的主要物理和技术问题及其解决途径,并进行了初步设计。结果表明：红外自由电子激光器的波长调谐范围为4.9~16.8 μm,输出宏脉冲能量可达到50 mJ;背散射X射线光源可以覆盖0.45~3.49 keV能区,输出宏脉冲谱亮度为3.0×10²⁰ photons/(s·mm²·mrad²·0.1%BW),扩大了红外自由电子激光的应用范围,以及用户对相应能区X射线的应用需求。     

Electro-optical sampling non-synchronous delay scanning measurement of electron beam bunch length at BFEL

The Electro-optical sampling delay scanning technique can be used for electron beam bunch length measurement.A novel non-synchronous delay scanning technique based on the electro-optical sampling measurements is presented.Based on Beijing Free Electron Laser(BFEL),the electron beam bunch length was measured with the electro-optical sampling technique for the first time in China.The result shows that the electron beam bunch length at BFEL is about 5.6±1.2 ps.