同步辐射和自由电子激光中特殊波荡器的研究

摘要

回顾同步辐射光源的发展历程，可以发现波荡器作为插入元件被大规模使用，不仅极大地提高辐射光亮度，更有效地拓宽了同步辐射光谱覆盖范围。作为最具潜力的第四代光源，自由电子激光以其波长可调、高功率、辐射相干等优点，成为了近年来国内外研究的热点。与此同时，波荡器作为自由电子激光的关键设备之一，同样得到了人们广泛关注。在这种背景下，我们对于同步辐射光源和自由电子激光中一些特殊波荡器的应用展开了研究。
　　 本文对于将变参数波荡器用于基于静电加速器自由电子激光振荡器，以提高输出光饱和功率进行了系统的研究。首先给出基于静电加速器自由电子激光振荡器的方案设计。在此基础上，从理论分析和数值计算两方面研究了线性锥化变参数波荡器对振荡器输出功率和饱和时间的影响。其结果论证了在振荡器饱和后，引入变参数波荡器能有效地改善低增益工作模式的饱和输出光功率，且存在一个使得输出功率最大的最优锥化率。此外，我们还分析计算了反向线性锥化变参数波荡器的情况。
　　 介绍了传统准周期波荡器的基本原理和结构，从理论上分析了磁块纵向长度的变化与高次谐波磁场强弱的关系。在此基础上，我们提出了几种能减弱高次谐波辐射的新结构，如改进型准周期波荡器和变宽度准周期波荡器。通过各方案自发辐射谱对比，发现改进型准周期波荡器和变宽度准周期波荡器的高次谐波辐射抑制效果明显优于传统准周期波荡器，且变宽度准周期波荡器更适合在真空环境下工作。为此，在NSRL的三期改造采用了改进型准周期波荡器。另外，我们分析了准周期波荡器对于SASE FEL的高次谐波辐射抑制效果。模拟结果表明，采用标准波荡器和准周期波荡器的组合波荡器方案，高阶辐射光得到了显著的降低，同时仍有一定的基波功率，但基波饱和时间有所延长。
　　 高场强混合型波荡器对实现自由电子激光的小型化和向短波长延伸有重要意义。本文对已有的磁极加边块方案、楔形磁极方案进行了参数优化和磁场对比，并提出了磁极加斜边块的新方案。通过计算分析不同间隙周期比下，各方案的峰值磁场和各阶谐波磁场，可以得出楔形磁极加斜边块方案能有效地提高混合型波荡器峰值磁场和各阶谐波磁场，且在间隙周期比大于0.3时效果更为显著。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 同步辐射光源与波荡器

1．2 自由电子激光与波荡器

1．3 波荡器分类

1．4 自由电子激光的发展和新型波荡器

1．5 论文工作的主要内容和创新点

第2章 波荡器和自由电子激光物理简介

2．1 波荡器磁场

2．2 波荡器内电子运动轨迹

2．3 波荡器辐射特性

2．4 自由电子激光基本原理

2．5 相关软件介绍

2．7 本章小结

第3章 基于变参数波荡器太赫兹自由电子激光振荡器研究

3．1 自由电子激光振荡器与变参数波荡器

3．2 基于静电加速器自由电子激光振荡器太赫兹源

3．2．1 基本方案

3．2．2 光腔的结构设计与参数优化

3．2．3 三维模拟与一维计算结果对比

3．3 基于线性锥化变参数波荡器自由电子激光振荡器

3．4 基于反向线性锥化变参数波荡器的自由电子激光振荡器

3．5 本章小结

第4章 准周期波荡器的优化设计及研究

4．1 常规准周期波荡器基本原理及其结构性能

4．2 磁块尺寸与高次谐波场

4．3 准周期波荡器的结构优化及自发辐射谱分析

4．3．1 改进型准周期波荡器Modified QPU

4．3．2 变宽度准周期波荡器New QPU

4．3．3 不同方案的分析对比

4．3．4 NSRL三期改造项目之准周期波荡器

4．4 基于准周期波荡器的SASE FEL辐射谱分析

4．5 本章小结

第5章 提高混合型波荡器场强的优化设计

5．1 理论分析

5．2 标准混合型波荡器

5．3 磁极加边块混合型波荡器

5．4 楔形磁极混合型波荡器

5．5 楔形磁极加边块混合型波荡器

5．6 各方案对比

5．7 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果