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0PERA3/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0.0lGs.m,电子轨迹偏移小于0.02mm.     

混合型波荡器的3维优化

 以波荡器辐射波和共振电子能及混合型波荡器的解析计算为基础，通过3维磁场的有限元计算，在欧洲光源横向优化基础上，给出了同步辐射和自由电子激光用混合型波荡器纵向优化参数，进而给出了用于DUV FEL混合型波荡器的设计计算参数。加侧位和顶部永磁块后，峰值磁场分别提高到0.722T和0.773T，辅助以1μm量级分辨率的磁间隙调节机械系统，磁场分辨率好于10^-4T量级。     

上海深紫外自由电子激光波荡器的端部磁结构设计

 针对固定间隙的上海深紫外自由电子激光（SDUV-FEL）混合型波荡器的端部,用Radia程序进行了模拟计算。在端部不加任何电磁线圈补偿的情况下,通过减小端部磁铁、磁极的体积和变动端部磁极位置的方法对波荡器磁场进行了优化,优化以后波荡器横向磁场的边缘场强度降到5×10^-4 T（距离端部磁块边缘10 mm处）,边缘场波形没有了明显突起,优化后的横向磁场的一次积分曲线和二次积分曲线都有很大改善,端口处的一次积分值、二次积分值接近于零。     

合肥800MeV电子储存环波荡器的设计和模型的研制

用于合肥800MeV电子储存环的永磁波荡器正处于建造中. 本文对波荡器辐射特性及磁铁的设计考虑作了介绍, 并报告了10周期混合型波荡器模型的设计、研制与磁场测量结果.     

太赫兹自由电子激光波荡器的设计、测量与优化

波荡器电子轨迹中心偏移和磁场误差对CTFEL装置性能影响很大,通过前期设计和后期测量与优化将其限制在指标要求范围内。在前期设计中尽量避免引入全局性的系统误差:磁结构具有平面反对称结构,保证电子轨迹中心和波荡器磁轴重合;磁结构端部的特殊设计减弱了间隙对出口磁场二次积分的影响;机械系统的大梁和立柱具有良好的刚性,闭环控制系统保证了高的波荡器间隙控制精度,这些措施降低了间隙不一致引入的磁场误差。在后期测量与优化中削弱了磁场的残存全局系统误差和局部随机误差:利用磁场点测台测量了波荡器磁场的纵向和横向分布,通过调节标准单元组件位置对磁场进行了垫补和优化,优化后电子轨迹中心偏移、峰峰值误差、相位误差、好场区及其误差均满足指标要求。     

Delta波荡器传导冷却的热分析与实验研究

波荡器是同步辐射光源中产生X射线的关键设备,低温型Delta波荡器可明显提高镨铁硼永磁铁的峰值场强和内禀矫顽力,进而有效抵抗辐照环境下的磁场退化。为了使永磁阵列进入液氮温区,提出了磁铁干式传导冷却方案,设计了干式低温恒温器结构,利用数值模拟完成了热力学分析优化,并搭建实验台进行了降温测试。结果表明,Delta波荡器可通过单台小型低温制冷机传导冷却进入低温状态,并突破常压饱和液氮温度,最低达到40 K,四个梁的最大温差约1 K,达到温度均匀性要求,并将磁场强度提高20%以上。低温型Delta波荡器模组达到设计指标,验证了波荡器干式传导冷却方案的可行性,对低温型波荡器的研发设计具有重要意义。     

用模拟退火法进行纯永磁波荡器磁块组合优化

 纯永磁波荡器由多个磁块组成,磁块的剩磁离散性会引起波荡器磁场误差,从而影响储存环工作状态和自发辐射谱质量。在波荡器磁块安装之前,使用模拟退火法对磁块进行组合排序优化,可以使峰值场强误差降低到10 ^-4量级以下,磁场一次积分降低到10^-6 T·m量级,二次积分降低到10 ^-6 T·m ²量级,优化结果不依赖于初始状态的选择。给出优化的详细过程,提出了根据磁块剩磁快速计算波荡器峰值场强误差和积分场的方法。     

纯永磁波荡器基波与谐波磁场的三维计算与测试

 对标淮的纯永磁波荡器进行了三维磁场的有限元计算,给出了纯永磁波荡器的基波与谐波磁场的幅值与相位,并与测试结果进行对比,结果表明,标准的纯永磁波荡器谐波磁场幅值比基波幅值低两个数量级。     

上海光源首批波荡器永磁块研制

介绍了上海光源2台混合型真空室内波荡器IVU25用636件Sm2Co17永磁块(规格为65 mm×25 mm×8.965 mm)和1台APPLE-Ⅱ型椭圆极化波荡器EPU100用668件NdFeB永磁块(规格为35 mm×35 mm×25 mm)的研制情况。指出了影响剩磁离散性、磁化偏角、机械尺寸精度等技术要求的基本因素,并对其原理进行了分析。研制的Sm2Co17和NdFeB永磁块的磁性能、磁场品质、机械尺寸精度等满足了上海光源首批波荡器插入件技术要求。     

上海深紫外自由电子激光装置波荡器磁场调整

 在对上海深紫外项目的波荡器建造过程中，应用亥姆霍兹线圈系统测量了全部单磁块，并使用模拟退火法对磁块进行组合排序优化，使反映磁场的成本函数下降了3个数量级。对一段波荡器进行了多次测量、调整，使积分场、峰峰值误差、位相误差等各项指标达到设计要求。     

W波段同轴静磁波荡器自由电子激光优化设计

基于同轴静磁波荡器的自由电子激光主要利用环形电子束与同轴TE模式的相互作用产生电磁辐射,是一种重要的毫米波辐射源。分析了同轴结构作用区内外半径、工作模式、电子束电压、波荡器周期等参数对辐射频率的影响规律,研究了电子束平均半径的选取原则和束波互作用腔的设计方法,设计了辐射频率在W波段的基于同轴静磁波荡器的自由电子激光,并进行了粒子模拟,在电子束电压为720 kV,电子束流为1 kA的情况下,获得了频率107 GHz、辐射功率35 MW的TE01模,束波转换效率为4.9%,束波作用腔总长度小于200 mm,同轴静磁波荡器的磁场幅度0.34 T。     

CAEPXFEL波荡器束线初步物理设计

中国工程物理研究院计划开展XFEL光源的研制,主要通过电子束在波荡器中的辐射特性产生硬X射线。根据理论分析和数值模拟,在电子束最高能量可达12GeV的实际条件下,初步设计了一条间隙可调的真空外波荡器束线,波荡器分为25段,每段长3.86m,间隙7~10mm,周期长度25.4mm,磁场0.636~1.03T,束线总长120m左右,辐射光子能量为3~25keV。     

波荡器谐波场增强效应对电子自发辐射谱的影响

 有效利用电子束在波荡器中运动时产生的谐波辐射,是获得更短波长辐射最直接的方法之一。提高波荡器磁场的谐波分量可以提高电子束的谐波辐射光场强度。分析了一种改进Halbach型波荡器结构,计算了其磁场的构成,分析表明这种结构可以使磁场的三次谐波分量提高至基波分量的25%左右。以合肥光源的电子束参数为例,计算了波荡器磁场谐波分量增强后对电子束自发辐射谱的影响。计算结果表明,波荡器磁场谐波分量增强至25%时,可以使电子束自发辐射的三次谐波辐射增强至基波辐射光子通量的67%左右。     

Sm_2Co_(17)型永磁合金的辐照效应研究

Sm_2Co_(17)型永磁合金大量使用在上海同步辐射光源储存环的永磁型波荡器上,在受到长期辐照后会发生磁性能损失的现象,进而影响同步辐射光的品质.为了探索其潜在的微观机理,本文首先对Sm_2Co_(17)型永磁合金所处混合辐射场的粒子及相关物理量进行了计算分析,确定引发磁性能损失的主要粒子是中子.然后采用Ar离子模拟中子辐照损伤的方法对其进行辐照,采用透射电镜对其辐照前后的微观形貌及微观结构进行了研究探讨,采用振动样品磁强计对永磁合金辐照前后的饱和磁化强度进行了分析对比,并讨论了微观结构演化与宏观磁性能变化的联系.结果表明,Ar离子辐照后Sm_2Co_(17)型永磁合金饱和磁化强度的不可逆损失与微观结构变化有直接的关系,其2:17相从单晶结构转变为非晶结构是造成其磁性能损失可能的微观机制.     

Momentum spread in a relativistic electron beam in an undulator

The motion of the relativistic electron beam in the spatially periodic magnetic field of an undulator has been considered taking into account the effect of the incoherent field of the spontaneous undulator radiation on the motion of the electrons. An expression for the rms momentum of the electrons has been obtained. It has been shown that the momentum spread in the ultrarelativistic electron beam increases in the spontaneous incoherent emission mode. Conditions for the self-amplification of the spontaneous undulator radiation in ultrashort-wavelength free-electron lasers have been discussed.     

中国工程物理研究院FEL-THz束线从头至尾模拟设计(英文)

中国工程物理研究院正在开展自由电子激光太赫兹源(FEL-THz)的研究。介绍了中物院FEL-THz束线的设计,通过PARMELA和TRANSPORT等程序优化了束线参数,并通过IMPACT-T和ELEGANT程序核对了模拟结果。优化结果表明,电子束在摇摆器入口处能量7～8MeV、平均电流5mA、横向归一化发射度小于10mm·mrad,满足设计要求。     

Terahertz radiation source using a high-power industrial electron linear accelerator

High-power (～ 100 kW) industrial electron linear accelerators (linacs) are used for irradiations, e.g., for pasteurization of food products, disinfection of medical waste, etc. We propose that high-power electron beam from such an industrial linac can first pass through an undulator to generate useful terahertz (THz) radiation, and the spent electron beam coming out of the undulator can still be used for the intended industrial applications. This will enhance the utilization of a high-power industrial linac. We have performed calculation of spontaneous emission in the undulator to show that for typical parameters, continuous terahertz radiation having power of the order of μW can be produced, which may be useful for many scientific applications such as multispectral imaging of biological samples, chemical samples etc.     

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).     

Investigation of a method to calculate spontaneous radiation spectra from relativistic electrons in undulators

Undulators are key devices to produce brilliant synchrotron radiation at the synchrotron radiation facilities.In this paper we present a numerical computing method,including the computing program that has been developed to calculate the spontaneous radiation emitted from relativistic electrons in undulators by simulating the electrons' trajectory.The effects of electron beam emittance and energy spread have also been taken into account.Comparing with other computing methods available at present,this method has a few advantages with respect to several aspects.It can adopt any measured or arbitrarily simulated 3D magnetic field and arbitrary electron beam pattern for the calculation and it's able to analyze undulators of any type of magnetic structure.It's expected to predict precisely the practical radiation spectrum.The calculation results of a short period in-vacuum undulator and an EllipticaUy Polarized Undulator (EPU) at Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF) are presented as examples.