关于Paladin实验的理论分析

本文对Livermore实验室Paladin装置的概况、实验目的和主要实验结果作了介绍。用自编的MICFEL二维数值模拟程序,对Paladin实验结果进行的模拟计算。表果表明,Paladin实验不成功的主要原因是电子束的亮度未达到原定的指标。若电子束电流I>1500A,束亮度B_n≈10~9A/m^2·rad^2,束流能散度(FWHM)<1.5％,则Paladin实验是可以达到几个GW的激光输出功率和接近10％的电子束能量抽取效率的。本文对实现1μm高功率自由电子激光的条件也进行了初步探讨。     

自由电子激光放大啁啾脉冲的数值模拟

 利用1维非定态程序对单程自由电子激光(FEL)放大器放大线性啁啾脉冲的过程进行了数值模拟,得到了不同啁啾参数的脉冲通过FEL放大器的增益曲线,计算了不同啁啾参数的脉冲被单程FEL放大器放大后的腔外压缩情况。通过对数值模拟结果的定性分析得出：影响输出脉冲宽度和峰值功率的主要因素是FEL放大器的增益线宽和啁啾参数,并以此说明,通过先使用FEL放大器放大啁啾脉冲、然后再将其在腔外压缩的方法产生超短脉冲FEL是可行的。     

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振荡器的一维模拟计算

利用基于自由电子激光经典理论的一维模型的两个程序(MFEL1和FEL0),数值模拟了1.06μm自由电子激光振荡器的各物理参数的演化。MFEL1是考虑了Slippage效应的短脉冲多模计算程序,FEL0是没考虑Slippage效应的长脉冲单模计算程序。前者更能反映实际情况,后者能更细致地模拟光场与电子束在一次放大过程中的演化。计算表明,在短脉冲情况下,激光强度、品质、增益和能量抽取效率强烈依赖于电子束流强度,对一定范围的能散变化却不敏感;但在长脉冲情况下,上述物理量对能散在同样范围内的变化较为敏感。光强度的增益谱清楚地再现了小信号放大的Madey定理。在信号接近饱和时,增益谱的非零部分出现在远离共振频率的区域,这正是FEL中的边带不稳定性。     

SASE自由电子激光起振问题及统计特性的数值模拟

 介绍一种自放大自发辐射自由电子激光（SASE FEL）的自发辐射和电子束噪声的数学描述，运用修正的一维非定态程序，对SASE FEL 起振问题及光场统计特性进行了数值模拟，分析了自发辐射谱的发展过程及一定频带宽度内光场随机特性的统计规律，数值模拟结果与理论结果符合较好。     

利用FEL康普顿背散射实现对NSRL辐射波段的扩展

 针对NSRL同步辐射光源不能开展硬X射线领域实验研究的缺点,提出了利用FEL康普顿背散射产生高亮度极化的硬X射线,并利用FEL波长可调的特点来连续调节硬X射线的波长。同时还针对NSRL光源的参数,提出了一个初步可行的远红外FEL参数和背散射工作方式,并给出了理论结果。     

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。     

SXFEL阻抗壁尾场对束流相空间畸变的影响（英文）

X射线自由电子激光器（FEL）由于其超高亮度、超短脉冲等特点,在世界范围内得到广泛应用。基于尾流场理论,我们计算了上海X射线自由电子激光器（SXFEL）中从直线加速器出口到波荡器末端,束流在245 m不锈钢传输线和波荡器中的阻抗壁尾场。通过对两种不同的阻抗壁尾场的叠加,发现将导致束流纵向相空间的畸变。在SXFEL上进行束流物理的实验,并得到与理论预测非常吻合的实验结果。结合之前对主要直线加速器部分的详细模拟和实验研究,为后续FEL整体束流优化提供了参考。     

SXFEL阻抗壁尾场对束流相空间畸变的影响

X射线自由电子激光器（FEL）由于其超高亮度、超短脉冲等特点,在世界范围内得到广泛应用。 基于尾流场理论,我们计算了上海X射线自由电子激光器（SXFEL）中从直线加速器出口到波荡器末端,束流在245 m不锈钢传输线和波荡器中的阻抗壁尾场。通过对两种不同的阻抗壁尾场的叠加,发现将导致束流纵向相空间的畸变。在SXFEL上进行束流物理的实验,并得到与理论预测非常吻合的实验结果。 结合之前对主要直线加速器部分的详细模拟和实验研究,为后续FEL整体束流优化提供了参考。     

喇曼型无引导场自由电子激光实验的理论计算

用三维程序CAGⅡ对西南应用电子学研究所在EPA-74脉冲加速器上所作的FEL(自由电子激光)实验进行了数值模拟,分析计算了输入功率、摇摆器磁场振幅、自发辐射频率、电子能量、束流强度和发射度等参数变化时对饱和位置、饱和功率和效率的影响。在对实验参数中的电子能量作合理调整的条件下,数值模拟的增益系数大约为70dB/m,是实验值的80％。因此饱和位置比实验推后20％到40％。饱和功率高出大约3倍。经折算后大约为1MW,与实验结果比较接近。考虑到实验的复杂情况可认为理论结果同实验结果基本符合。     

自由电子激光的计算机模拟

本文使用1(2/2)维电磁相对论粒子程序对自由电子激光进行计算机模拟。在线性段,计算机模拟与用解析理论计算的增长率符合很好。与没有轴向引导磁场的自由电子激光相比,加一弱轴向引导磁场时,Wiggler场的强度可降得较低。加一强轴向引导磁场时,波能量达到饱和水平所需时间较短。     

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。     

上海深紫外自由电子激光的非线性谐波辐射研究

 自由电子激光中的非线性谐波辐射能达到较高的谐波功率,可以用来得到短波长辐射或者降低第4代先进光源对电子束团品质的严厉要求。基于3维自由电子激光软件,深入详细地研究了上海深紫外自由电子激光装置的非线性谐波辐射,并且提出了谐波辐射实验和测量建议。研究表明上海深紫外自由电子激光装置3次非线性谐波辐射的功率可以达到基波功率的2%水平。     

加速器噪声对远红外FEL振荡器影响的模拟研究

 采用FEL一维脉冲模型，针对中国原子能研究院的远红外FEL振荡器，模拟研究了加速器噪声对FEL的影响。对电子束微脉冲的时间晃动和能量波动所引起的光功率波动及光谱中心晃动进行了模拟计算，在计算中还分别考虑了噪声频率、振幅的大小产生的直接影响以及腔失谐的间接影响。     

反向导引场自由电子激光器的三维非线性模拟

 对Conde–Bekefi反向导引场自由电子激光（FEL）放大器实验进行了三维非线性分析。当引入一类似于回旋自谐振脉塞收缩角(pinch angle)参数的电子束入射角参数后，其模拟计算结果与实验相符。这预示了反向导引场FEL中束波互作用的一种新机理。     

Efficiency and sideband observations of a Raman FEL oscillator witha tapered undulator

Power and spectral measurements are reported from the Columbia Raman free-electron laser (FEL) oscillator experiment. High-power radiation pulses (~12 MW, 100 ns) are generated at a wavelength of ~2.5 mm, using a 750-kV electron beam injected into a helical undulator. The undulator is made up of a 40-cm long constant-period (1.45 cm) section followed by an equal length of tapered undulator. The period is decreased by 7.6% in such a way that the on-axis field remains constant. It is reported that the taper allows an increase in total power efficiency from ~4 to ~12%. Most noteworthy is that the tapered undulator reduces the sideband radiation compared with a constant-period undulator FEL which is studied in the same configuration. The power was measured calorimetrically and compared with the results of a 1-D Raman code. The reduction of sideband power observed in the experiment was consistent with computational results obtained with a 2-D sideband code     

毫米波自由电子激光的数值模拟和实验的比较

从波导管毫米波自由电子激光器的设计要求出发,根据Livermore实验室FRED程序的物理思想,编制了空间三维的数值模拟程序(WAGFEL)。为了检验程序的可靠程度,结合ELF装置的实际参数,进行了数值模拟并和实验结果进行了比较。结果表明,把Wiggler磁场B_w增大300 Gs后,WAGFEL程序的模拟结果和Livermore实验室的实验结果基本符合。模拟使用的全部参数,除B_w增大300Gs外,都是ELF的实际参数。模拟时峰值磁场B_w=4050Gs,实验测量峰值磁场B_w=3720Gs,相差在8％左右。WAGFEL程序可以用来从事毫米波自由电子激光器的设计以及基本物理问题的研究。     

无引导磁场Raman自由电子激光实验的理论分析

本文分析Raman自由电子激光中常用的双绕螺旋线摇摆器的自聚焦过程和自聚焦能力,得出束流稳定传输的条件,并与无引导磁场Raman自由电子激光实验中测得的传输束流进行分析比较。文中还对在电子脉冲线加速器EPA-74上完成的无引导磁场自由电子激光实验的辐射输出进行分析。理论分析与实验结果相符合。 关键词：     

Performance study of a soft X-ray harmonic generation FEL seeded with an EUV laser pulse

The performance of a free electron laser (FEL) using a low-power extreme ultraviolet (EUV) pulse as an input seed is investigated. The parameters are appropriate for 30 nm seeds produced from high-power Ti:Sapphire pulses using high harmonic generation schemes. It is found that, for reasonable beam parameters, robust FEL performance can be obtained. Both time-independent and time-dependent simulations are performed for varying system parameters using the GENESIS simulation code. A comparison is made with a two-stage harmonic FEL that is seeded by a high-power Ti:Sapphire pulse.