Towards one machine, two purposes: using a common SC linac for XFEL and ERL simultaneously

The linac based XFEL and ERL are advanced (or, say, 4th generation) light sources, with different electron beam parameters and different advantages. However, the linac used for XFEL and ERL should provide very advanced beams with high energy, high peak and/or average current, very low emittance and low energy spread, thus making the linac very complicated and expensive. To share the XFEL and ERL advantages and save the construction-operation budget, a proposal of using a common superconducting electron linac for hard X-ray XFEL and ERL is described in this paper. The interactions between the XFEL and ERL beams via the accelerating structure are studied and the result is positive.     

Towards one machine, two purposes: using a common SC linac for XFEL and ERL simultaneously

The linac based XFEL and ERL are advanced （or, say, 4th generation） light sources, with different electron beam parameters and different advantages. However, the linac used for XFEL and ERL should provide very advanced beams with high energy, high peak and/or average current, very low emittance and low energy spread, thus making the linac very complicated and expensive. To share the XFEL and ERL advantages and save the construction-operation budget, a proposal of using a common superconducting electron linac for hard X-ray XFEL and ERL is described in this paper. The interactions between the XFEL and ERL beams via the accelerating structure are studied and the result is positive.     

基于超导直线加速器的XFEL初步方案

基于超导直线加速器的X射线自由电子激光(XFEL)是自由电子激光领域未来发展的一个重要方向。介绍了国际上Euro-XFEL及LCLS-II等超导XFEL装置的设计建造现状。在此基础上提出基于一台7GeV超导直线加速器的超导XFEL初步方案,给出主要设计参数,并讨论实现100~1000GW量级峰值输出功率的技术路线,包括提高峰值流强、采用波荡器磁场渐变技术等。     

基于超导直线加速器的XFEL初步方案

基于超导直线加速器的X射线自由电子激光（XFEL）是自由电子激光领域未来发展的一个重要方向。介绍了国际上Euro-XFEL及LCLS-II等超导XFEL装置的设计建造现状。在此基础上提出基于一台7 GeV超导直线加速器的超导XFEL初步方案,给出主要设计参数,并讨论实现100~1000 GW量级峰值输出功率的技术路线,包括提高峰值流强、采用波荡器磁场渐变技术等。     

射频超导腔的研究新进展

射频超导谐振腔已经大规模地应用到粒子加速器领域,其优越之处在于它可以在CW模式或长宏脉冲模式下,提供高的加速梯度。射频超导已经成为自由电子激光和能量回收直线加速器的关键技术。经过30多年的研究发展,解决了超导腔的热崩溃、场致发射等诸多关键问题,目前加速梯度已经超过40 MV/m。高加速梯度的获得是射频超导领域的前沿热点,电抛光＋低温热处理技术使射频超导腔的加速梯度提高3～4 MV/m。最新发展起来的超导腔的干式处理可以改善超导腔的表面状况,提高超导腔的Q值,抑制次级电子发射效应,有可能成为提高超导腔性能的又一有效手段。     

射频超导腔的研究新进展

 射频超导谐振腔已经大规模地应用到粒子加速器领域,其优越之处在于它可以在CW模式或长宏脉冲模式下,提供高的加速梯度。射频超导已经成为自由电子激光和能量回收直线加速器的关键技术。经过30多年的研究发展,解决了超导腔的热崩溃、场致发射等诸多关键问题,目前加速梯度已经超过40 MV/m。高加速梯度的获得是射频超导领域的前沿热点,电抛光＋低温热处理技术使射频超导腔的加速梯度提高3～4 MV/m。最新发展起来的超导腔的干式处理可以改善超导腔的表面状况,提高超导腔的Q值,抑制次级电子发射效应,有可能成为提高超导腔性能的又一有效手段。     

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.     

自由电子激光对微波源稳定性的要求

由自由电子激光物理出发,讨论自由电子激光对射频直线加速器微波功率源稳定性的要求,并据此得出国内目前已在运行的两台自由电子激光装置实现稳定运行微波功率源稳定性需达到的指标。     

An intense terahertz radiation source at the Compact ERL

The Compact ERL is an energy recovery LINAC (ERL) test facility that is planned for KEK. The circumference of the recirculation path will be 70 m. Initially, the beam energy will be about 65 MeV and the current about 10 mA. Although the primary purpose of the machine is to aid the development of the key technologies that are essential for building an ultra-brilliant new synchrotron light source based on an ERL, the Compact ERL itself has great potential as an intense source of terahertz radiation. To generate the intense terahertz radiation, an electron bunch of a very short bunch length is required and bunch compression is inevitable. We discuss the parameters of the Compact ERL, present the results of a simulation of bunch compression, and make an estimate of the generated coherent synchrotron radiation.     

自由电子激光对微波源稳定性的要求

 由自由电子激光物理出发，讨论自由电子激光对射频直线加速器微波功率源稳定性的要求，并据此得出国内目前已在运行的两台自由电子激光装置实现稳定运行微波功率源稳定性需达到的指标。     

A SASE free electron laser optimization based on new generation in-vacuum undulators

Optimization studies for an accelerator based light source, namely self-amplified spontaneous emission (SASE) free electron laser (FEL), based on new generation in-vacuum hybrid and superconducting undulator configurations, are compared and discussed. It is shown that the FEL wavelength should be down to soft X-rays ($～3\mathrm{nm}$) part of the spectrum while keeping the same linear accelerator (linac) energy about 1 GeV. On the other hand, numerical calculations and simulation results of the main performance parameters for SASE operation (1D gain length, saturation power and saturation length), are optimized. Finally, technological advantages and challenges for both cases, are briefly mentioned.     

光阴极注入器型能量回收射频加速器

 光阴极注入器型能量回收射频加速器（PERL）是新一代加速器，在高平均功率自由电子激光和下一代高亮度光源等研究中有很好的应用前景。分析了PERL的强流与高平均功率特性，对注入器输出束流品质的要求及光阴极注入器、超导加速腔等关键技术进行了研究，设计分析了一种特殊结构的高压DC Gun光阴极注入器，能有效地提高DC加速腔中的加速场强，当高压为1MV和加速场达到10MV/m时，产生的电子束流能够基本满足PERL应用要求。同一超导加速段中的束流加速和能量回收的数值模拟计算结果表明，能获得高效率电子束流能量回收效果。     

光阴极注入器型能量回收射频加速器

光阴极注入器型能量回收射频加速器（PERL）是新一代加速器,在高平均功率自由电子激光和下一代高亮度光源等研究中有很好的应用前景。分析了PERL的强流与高平均功率特性,对注入器输出束流品质的要求及光阴极注入器、超导加速腔等关键技术进行了研究,设计分析了一种特殊结构的高压DC Gun光阴极注入器,能有效地提高DC加速腔中的加速场强,当高压为1MV和加速场达到10MV/m时,产生的电子束流能够基本满足PERL应用要求。同一超导加速段中的束流加速和能量回收的数值模拟计算结果表明,能获得高效率电子束流能量回收效果。     

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。     

自由电子激光振荡器中电子束能量跳跃对增益的影响

 微脉冲中电子束能量、电流的跳跃会影响电子束的质量, 从而也影响激光的增益。在CAEP FIR FEL 理论设计模型参数的基础上,利用一维定态程序对电子束能量跳跃对增益的影响进行了数值研究,并与非定态程序计算结果进行比较,给出可容许的能量跳跃范围。     

FEL光学速调管的升级性能分析

通过三维磁场的有限元计算,给出了自由电子激光（FEL）研究用光学速调管升级后的磁参数。国家同步辐射实验室合肥光源（HLS）电子储存环能量可以日常运行在200～800 MeV间,为了与电子储存环能量匹配,并在较高束电子能量下进行实验和得到较多的相干辐射光子,光学速调管从原来的对称结构升级成非对称结构,用于HLS储存环谐波产生FEL实验。给出了升级后非对称光学速调管的几组匹配磁参数,用于在HLS储存环注入能量和可以运行的最高能量下进行谐波FEL实验。初步计算表明,HLS 储存环电子束性能优越,能散很低,FEL实验用最高能散仅为2.05×10-4,相应FEL辐射的能散修正因子在0.96以上,可以忽略不计。     

稳定波长反馈引起的失谐对自由电子激光的影响

 利用修改的一维非定态程序,基于美国杰弗逊实验室（JLab）Demo自由电子激光装置的参数,对高功率自由电子激光振荡器稳定波长的反馈系统进行了数值模拟。电子微脉冲为高斯型分布,每个纵向网格中取16个模拟宏电子,不考虑电子束的能散度。结果表明：当无反馈时,腔内光功率和波长都可以在一定范围内稳定;加入反馈后,由于电子束能量的变化所引起的等效失谐对整个系统有着重要的影响,甚至可能导致电子和光场失去相互作用,从而使得装置不能工作。提出应该在光场达到饱和以后再启动稳定波长反馈系统。模拟结果证明,该实施方案是合理有效的,可以避免其对FEL运行的严重影响。     

FEL光学速调管的升级性能分析

通过三维磁场的有限元计算,给出了自由电子激光（FEL）研究用光学速调管升级后的磁参数。国家同步辐射实验室合肥光源（HLS）电子储存环能量可以日常运行在200～800 MeV间,为了与电子储存环能量匹配,并在较高束电子能量下进行实验和得到较多的相干辐射光子,光学速调管从原来的对称结构升级成非对称结构,用于HLS储存环谐波产生FEL实验。给出了升级后非对称光学速调管的几组匹配磁参数,用于在HLS储存环注入能量和可以运行的最高能量下进行谐波FEL实验。初步计算表明,HLS 储存环电子束性能优越,能散很低,FEL实验用最高能散仅为2.05×10-4,相应FEL辐射的能散修正因子在0.96以上,可以忽略不计。     

稳定波长反馈引起的失谐对自由电子激光的影响

利用修改的一维非定态程序,基于美国杰弗逊实验室（JLab）Demo自由电子激光装置的参数,对高功率自由电子激光振荡器稳定波长的反馈系统进行了数值模拟。电子微脉冲为高斯型分布,每个纵向网格中取16个模拟宏电子,不考虑电子束的能散度。结果表明：当无反馈时,腔内光功率和波长都可以在一定范围内稳定;加入反馈后,由于电子束能量的变化所引起的等效失谐对整个系统有着重要的影响,甚至可能导致电子和光场失去相互作用,从而使得装置不能工作。提出应该在光场达到饱和以后再启动稳定波长反馈系统。模拟结果证明,该实施方案是合理有效的,可以避免其对FEL运行的严重影响。