混合型波荡器的研制

介绍一台１．５ｍ的混合型波荡器（ＵＮＤＵＬＡＴＯＲ）的研制，包括设计、磁块的优化组合、磁场测量系统和磁场调整技术。这台波荡器主要用于中红外自由电子激光的研究，其磁场峰值均方根误差０．５％，磁场导向误差１ｍＴ·ｃｍ，电子轨迹偏离０．０３ｍｍ。     

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。     

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。     

基于光栅结构的自由电子激光波荡器（特邀）

波荡器是自由电子激光器的关键技术部件,目前常规的波荡器主要由磁体构成,利用磁场实现电子束偏转振荡,将电子束能量耦合至激光场。本文提出一种基于光栅表面电场的电波荡器机制,以发展自由电子激光器的小型化技术。阐述了该波荡器的基本原理及电子束在波荡器中的运动规律,推导了该方案下的自由电子激光波长及增益,对所采用的光栅表面电场进行二维仿真,并对电子束进行了跟踪仿真,计算了能量10 MeV电子束产生的激光增益为0.43,验证了基于光栅结构的微纳波荡器方案的可行性。     

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。     

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.     

波荡器位相误差对自由电子激光

对波荡器位相误差对自由电子激光小信号增益的影响进行了分析讨论。对低增益情况解析地给出了波荡器位相误差引起的增益降低因子。结果表明:与自发辐射类似增益的降低与位相误差的方差成简单的指数关系，位相误差的线性变化部分引起最大增益的位移，还表明波荡器位相误差存在时Madey定理仍然成立。对高增益情况也给出了波荡器位相误差引起的增益降低因子。     

波荡器位相误差对自由电子激光

对波荡器位相误差对自由电子激光小信号增益的影响进行了分析讨论。对低增益情况解析地给出了波荡器位相误差引起的增益降低因子。结果表明：与自发辐射类似增益的降低与位相误差的方差成简单的指数关系,位相误差的线性变化部分引起最大增益的位移,还表明波荡器位相误差存在时Madey定理仍然成立。对高增益情况也给出了波荡器位相误差引起的增益降低因子。     

波荡器入口区绝热压缩磁场分布对自由电子激光输出功率和效率的影响

本文对波荡器(Wiggler)入口区绝热压缩磁场分布对自由电子激光输出功率、增益、效率的影响,进行了非线性计算机模拟.结果表明:磁场幅值沿轴向接立方函数分布,比通常采用的正弦平方函数和平方函数这两种分布更好,更接近实验值.     

双波荡器自由电子激光理论

给出了双波荡器自由电子激光器的通用理论.在双波荡器自由电子激光器中,引入了一个周期长度非常接近主波荡器中电子束感应加速振荡周期的附加波荡器.推导出了一套自治方程组描述双波荡器中自由电子激光场演变过程,并分别给出了低增益、高增益和饱和三种情况下的解析解.研究表明,适当选择附加波荡器的参数,可以提高自由电子激光器的增益或转换效率     

波荡器位相误差对自由电子激光

 对波荡器位相误差对自由电子激光小信号增益的影响进行了分析讨论。对低增益情况解析地给出了波荡器位相误差引起的增益降低因子。结果表明：与自发辐射类似增益的降低与位相误差的方差成简单的指数关系，位相误差的线性变化部分引起最大增益的位移，还表明波荡器位相误差存在时Madey定理仍然成立。对高增益情况也给出了波荡器位相误差引起的增益降低因子。     

常参数波荡器自由电子激光中电子相轨道从周期性到非周期性的演化

本文讨论常参数波荡器(untapered wiggler)自由电子激光中电子的运动,发现考虑电子束与激光场之间的能量交换后,随着电子束等离子体频率增加,部份电子的相轨道将变成非周期性,随机型。 关键词：     

磁场预增强的锥型波荡器

研究了波荡器磁场增强对提高自由电子激光器效率的影响。模拟计算发现采用磁场增强波荡器能使自由电子激光器的效率提高到１７．６％，采用磁场预先增强而后又增弱的锥型波荡器则能获得高达４３．３￥的输出效率，自由电子激光器的功率得到进一步的提高。     

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。     

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。     

小周期波荡器自由电子激光器：数值模拟与实用化设计

采用三维自洽非线性理论计算方法,针对小周期波荡器自由电子激光器进行了数值模拟计算研究.结果表明,在我所现有脉冲线加速器基础上,采用周期为10mm的波荡器,可获得输出功率为20MW,波长为1.7mm的自由电子激光.最后给出实用化总体实验设计方案.     

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。     

高平均功率自由电子激光太赫兹源波荡器物理设计

讨论了高平均功率自由电子激光太赫兹源波荡器的物理设计,在确定了波荡器周期、周期数、峰值磁场强度范围和调制参数范围等总体参数后,选用混合型Halbach结构为波荡器的基本结构,永磁块长宽高为8 cm1.3 cm6 cm,磁极长宽高为5 cm0.6 cm4.8 cm。波荡器工作在变间隙模式下,间隙为1.81~3.05 cm时,波荡器峰值磁场为0.529~0.184 T,好场区为3.02~2.13 cm。同时,考虑到波荡器磁场误差对自由电子激光的影响,提出了波荡器各参数误差,并对波荡器端部设计进行了重点讨论。     

超长波荡器系统相位匹配的理论研究

波荡器是自由电子激光装置的核心部件, 如何实现超长波荡器段间相位的匹配是实现高增益X射线自由电子激光饱和输出的必要条件. 本文以北京大学973项目红外SASE自由电子激光实验装置波荡器的研制为模型, 给出了比较完整的相位匹配理论的描述, 进行了实现相位匹配的理论计算, 给出了实现段间相位匹配的具体端部结构和参数, 通过模拟计算表明, 当磁极调节范围为±0.5mm时可获得±100°的相位调整量. 该理论工作为今后高增益X射线自由电子激光超长波荡器系统总体方案的确立奠定了基础.     

交叉型波荡器软X射线自由电子激光极化控制的影响因素

交叉型波荡器是一种实现软X射线自由电子激光极化控制的有效方式。以自放大自发辐射自由光电子激光为例,采用统计的方法系统地分析了交叉型波荡器软X射线自由电子激光极化控制的影响因素。通过对光场相干长度、光脉冲两分量之间相对滑移长度和光场分量平均功率差异等的分析,给出了优化交叉型波荡器极化控制方案遵循的原则,即：辐射场相干时间尽可能长,光场分量相对滑移长度尽可能短,辐射场分量功率差异尽可能小等。该原则为交叉型波荡器软X射线自由电子激光极化控制方案的优化提供了依据。