【摘要】：自由電子激光能夠在太赫茲到硬X射線頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生高功率、相干性好、脈沖長度短的輻射脈沖。這些特性使得自由電子激光能夠廣泛應(yīng)用到科學(xué)研究中,如原子/分子生物學(xué)、材料科學(xué)、催化工程以及醫(yī)藥科學(xué)等。對于一個(gè)自由電子激光裝置而言,擁有低發(fā)射度、低能散、高峰值流強(qiáng)的高品質(zhì)電子束團(tuán)是非常有必要的。在束團(tuán)經(jīng)歷直線加速器部分的加速階段、壓縮階段和傳輸階段時(shí),縱向尾場引入的能量損失可以通過射頻結(jié)構(gòu)的反饋補(bǔ)償。然而,當(dāng)電子束團(tuán)通過由小磁隙波蕩器、復(fù)雜段間結(jié)構(gòu)、以及各種功能的chicane等組成的波蕩器系統(tǒng)時(shí),尾場造成的能量損失會顯著地降低束流品質(zhì)和影響自由電子激光輻射過程。為了保證上海軟X射線自由電子激光裝置能夠提供穩(wěn)定的高通量輻射光,尾場效應(yīng)的相關(guān)研究是不可忽視的一個(gè)重要問題。尾場效應(yīng)從作用方式可分為三大類:含有電阻的波蕩器真空盒產(chǎn)生的阻抗壁尾場、真空盒表面不夠光滑引起的粗糙度尾場以及幾何不連續(xù)性導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)尾場。在此背景下,本論文從SXFEL試驗(yàn)裝置、用戶裝置的尾場計(jì)算和可能的測量方法兩個(gè)方面出發(fā),對尾場效應(yīng)進(jìn)行了較為深入的研究。對于SXFEL試驗(yàn)裝置,本文首先借助數(shù)值模擬軟件對橢圓形截面真空盒阻抗壁三維尾場進(jìn)行了系統(tǒng)研究,為今后橢圓形截面真空盒尺寸設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。接著對比由理論解析式和數(shù)值模擬分別得到的不同情況下真空盒阻抗壁尾場,以及比較二維模擬軟件和三維模擬軟件所得幾何結(jié)構(gòu)尾場。通過比較發(fā)現(xiàn),不論是理論和數(shù)值模擬結(jié)果,還是二維模擬和三維模擬結(jié)果,在一定程度上表現(xiàn)出良好的吻合性,因此,理論公式和二維模擬的代替可以大大縮短計(jì)算多種方案下的波蕩器阻抗壁尾場、粗糙度尾場以及結(jié)構(gòu)尾場所需運(yùn)算時(shí)間,能夠克服三維模擬網(wǎng)格數(shù)過多帶來的限制,且能很好的貼近實(shí)際情況。為了確保電子束團(tuán)的運(yùn)行軌跡,工作在級聯(lián)HGHG/EEHG模式下的波蕩器系統(tǒng)因?yàn)槭鳈z測設(shè)備和校準(zhǔn)儀器的安裝插入而變得非常復(fù)雜。對此通過采用劃分模塊的方法,得到的波蕩器段總尾場可以從時(shí)間上和空間上分析其對自由電子激光的影響。在此基礎(chǔ)上,經(jīng)過模擬發(fā)現(xiàn)第一級44 nm自由電子激光輸出不會受到尾場效應(yīng)的影響,而0.8 MeV總的束流能量損失則會使第二級8.8 nm自由電子激光峰值亮度降低。SXFEL用戶裝置的一條用戶線基于試驗(yàn)裝置進(jìn)行升級改造,除此之外的另一條基于SASE運(yùn)行模式的波蕩器分支線也會安裝在隧道內(nèi),實(shí)現(xiàn)極高亮度的2 nm水窗波段脈沖輸出。用戶裝置的尾場研究思路類似于試驗(yàn)裝置,不同地是,通過采用從注入器到波蕩器追蹤模擬得到的真實(shí)束團(tuán)分布,計(jì)算所得的尾場更加接近實(shí)際情況,且能更準(zhǔn)確的分析尾場影響下的自由電子激光品質(zhì)。經(jīng)過模擬SASE用戶線發(fā)現(xiàn),沿波蕩器系統(tǒng)總的4 MeV能量損失會使得FEL脈沖能量降至原來的七分之一左右,同時(shí)平均輻射功率以及頻譜都有一定程度的降低。一般來說,自由電子激光品質(zhì)的破壞可以通過調(diào)節(jié)波蕩器磁場強(qiáng)度來補(bǔ)償,且脈沖能量或輻射功率會隨著補(bǔ)償?shù)脑黾佣�。同�?SXFEL試驗(yàn)裝置及用戶裝置可以采用梯度技術(shù)方法來實(shí)現(xiàn)預(yù)期的自由電子激光,甚至進(jìn)一步提高輻射效率。在尾場測量方面,本論文主要針對SXFEL用戶裝置SASE線展開數(shù)值模擬。由于開展短束團(tuán)尾場測量模擬需要有較好的分辨率,因此本工作基于X波段射頻偏轉(zhuǎn)腔及彎轉(zhuǎn)磁鐵設(shè)計(jì)和優(yōu)化用戶裝置束流診斷線。通過匹配優(yōu)化束線磁聚焦結(jié)構(gòu),得到最佳時(shí)間分辨率約為6.6 fs。這種較好的分辨率在束團(tuán)縱向相空間重構(gòu)以及尾場測量模擬中都有很好的應(yīng)用。以此為基礎(chǔ),通過數(shù)值模擬,我們重構(gòu)出的縱向束團(tuán)分布和相空間都能與初始情況得到一個(gè)很好的吻合。得益于用戶裝置波蕩器磁隙可調(diào)性及采用微擾電子束團(tuán)運(yùn)動的方法,可以重構(gòu)波蕩器段的縱向尾場。不僅如此,利用該束流診斷線重構(gòu)X射線脈沖時(shí)間分布也得到了很好的模擬驗(yàn)證,這將為自由電子激光測量提供了另外一種技術(shù)手段。本文工作重點(diǎn)在尾場數(shù)值模擬的研究,研究內(nèi)容緊密結(jié)合了上海軟X射線自由電子激光裝置的工程實(shí)際。對SXFEL試驗(yàn)裝置以及用戶裝置的設(shè)計(jì)、建設(shè)、調(diào)試有一定的應(yīng)用價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(上海應(yīng)用物理研究所)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TL53

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 尋培玨,李曉莉;自由電子激光用的磁場擺動器可行性研究[J];磁性材料及器件;1990年04期

2 傅世年;;用光束包絡(luò)方程研究自由電子激光中的折射光導(dǎo)現(xiàn)象[J];中國原子能科學(xué)研究院年報(bào);1990年00期

3 劉瑞金;自由電子激光的初級理論探討[J];淄博學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)與工程版);2000年01期

4 杜若;朱愛平;;美國海軍發(fā)展艦載自由電子激光武器[J];飛航導(dǎo)彈;2009年12期

5 謝家麟;自由電子激光發(fā)展概況[J];原子能科學(xué)技術(shù);1988年01期

6 王光瑞;陳光旨;;自由電子激光與混沌[J];廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1993年01期

7 李傳臚,劉永貴,黃流興,錢寶良;圓波導(dǎo)契倫柯夫自由電子激光流體描述[J];強(qiáng)激光與粒子束;1991年02期

8 趙小風(fēng),楊福家;自由電子激光原理和進(jìn)展[J];核技術(shù);1992年09期

9 陳增炳;長波長自由電子激光參數(shù)測量[J];計(jì)量與測試技術(shù);1995年05期

10 金曉;黎明;許州;黎維華;楊興繁;陳天才;徐勇;余虹;王遠(yuǎn);沈旭明;程云;謝敏;盧和平;鄧德榮;劉婕;崔麗;楊茂榮;李正紅;胡克松;都興紹;俞泉兔;黃孫仁;鄧仁培;劉錫三;束小建;丁武;竇玉煥;吳中發(fā);;中國工程物理研究院遠(yuǎn)紅外自由電子激光實(shí)驗(yàn)研究[J];高能物理與核物理;2006年S1期

相關(guān)會議論文 前10條

1 付強(qiáng);譚萍;漆蘭芬;王琳;田加勝;陳萍;;基于自由電子激光的太赫茲源的一維仿真研究[A];2007年全國微波毫米波會議論文集（下冊）[C];2007年

2 顧小衛(wèi);蒙林;;電磁波與電子強(qiáng)相互作用產(chǎn)生激光數(shù)值模擬[A];“第十四屆全國微波能應(yīng)用學(xué)術(shù)會議”暨“2009年微波創(chuàng)造美的生活高峰論壇”論文集[C];2009年

3 謝敏;楊茂榮;李正紅;黎明;余虹;許州;胡克松;陳天才;黃勇;;100μm自由電子激光自發(fā)輻射實(shí)驗(yàn)[A];中國工程物理研究院科技年報(bào)（2001）[C];2001年

4 陳瑩;邱錫鈞;朱志遠(yuǎn);;細(xì)胞骨架微管中的水與自由電子激光[A];Strong Field Laser Physics--Proceedings of CCAST(World Laboratory) Workshop[C];2002年

5 謝敏;余虹;;100μm FEL搖擺器研究進(jìn)展[A];中國工程物理研究院科技年報(bào)（2002）[C];2002年

6 金曉;黎明;許州;黎維華;楊興繁;陳天才;徐勇;余虹;王遠(yuǎn);沈旭明;程云;謝敏;盧和平;鄧德榮;劉婕;崔麗;楊茂榮;李正紅;胡克松;都興紹;俞泉兔;黃孫仁;鄧仁培;劉錫三;;100微米自由電子激光研究進(jìn)展[A];中國工程物理研究院科技年報(bào)（2005）[C];2005年

7 熊永前;秦斌;馮光耀;譚萍;田家勝;陳萍;楊軍;余調(diào)琴;裴元吉;樊明武;;基于自由電子激光的小型太赫茲源初步設(shè)計(jì)[A];第三屆全國加速器技術(shù)學(xué)術(shù)交流會論文摘要集[C];2007年

8 束小建;;穩(wěn)定波長反饋引起的自由電子激光功率的類極限環(huán)振蕩[A];中國工程物理研究院科技年報(bào)（1999）[C];1999年

9 董志偉;增田開;T.紀(jì)井;山崎鐵夫;吉川潔;;單通自由電子激光中自場引起的共振波長漂移[A];中國工程物理研究院科技年報(bào)（2001）[C];2001年

10 胡克松;;遠(yuǎn)紅外自由電子激光實(shí)驗(yàn)[A];中國工程物理研究院科技年報(bào)（1998）[C];1998年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前4條

1 本報(bào)記者 朱廣菁;隨自由電子激光徜徉宇宙物質(zhì)深處[N];大眾科技報(bào);2009年

2 李旭光 孟珂;善藏鋒者成利器[N];中國國防報(bào);2010年

3 記者　 顧鋼;德國創(chuàng)自由電子激光世界紀(jì)錄[N];科技日報(bào);2006年

4 中國工程院院士　杜祥琬;遠(yuǎn)紅外自由電子激光出光的啟示[N];光明日報(bào);2005年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前9條

1 王震;高增益自由電子激光微束團(tuán)的產(chǎn)生與應(yīng)用研究[D];中國科學(xué)院研究生院(上海應(yīng)用物理研究所);2016年

2 耿會平;軟X射線自由電子激光設(shè)計(jì)及相關(guān)物理研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2010年

3 張輝;自由電子激光物理中統(tǒng)計(jì)物理分析方法的若干研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2013年

4 鄒冰;自由電子激光中有關(guān)非線性效應(yīng)的若干研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2010年

5 李煜輝;高增益短波長自由電子激光的數(shù)值研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2006年

6 吳愛林;同步輻射和自由電子激光中特殊波蕩器的研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2013年

7 李和廷;高增益短波長自由電子激光相關(guān)物理研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

8 王明紅;毫米波段自由電子激光特性的研究[D];電子科技大學(xué);2003年

9 李林;軟X射線自由電子激光LLRF控制系統(tǒng)建模及算法研究[D];中國科學(xué)院研究生院（上海應(yīng)用物理研究所）;2015年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前9條

1 宋明豪;自由電子激光中的尾波場效應(yīng)研究[D];中國科學(xué)院研究生院(上海應(yīng)用物理研究所);2017年

2 梁大光;康普頓型自由電子激光中N光子散射的理論研究[D];山東師范大學(xué);2011年

3 劉文鑫;等離子體填充喇曼型自由電子激光的理論研究[D];電子科技大學(xué);2005年

4 聶錦蘭;自由電子激光對摻雜半導(dǎo)體及半導(dǎo)體量子阱材料的輻照研究[D];四川大學(xué);2004年

5 楊柳;自由電子激光中N光子康普頓散射的理論研究與程序設(shè)計(jì)[D];山東師范大學(xué);2013年

6 徐永昌;電磁波搖擺器短波長自由電子激光非線性理論研究[D];山東師范大學(xué);2012年

7 竇玉煥;SASE自由電子激光起振與統(tǒng)計(jì)特性的數(shù)值模擬[D];中國工程物理研究院北京研究生部;2002年

8 譚長宜;穩(wěn)定自由電子激光振蕩器波長的數(shù)值模擬研究[D];中國工程物理研究院;2004年

9 董玉璽;自由電子激光裝置中關(guān)鍵支撐系統(tǒng)機(jī)械穩(wěn)定性研究[D];中國科學(xué)院研究生院（上海應(yīng)用物理研究所）;2015年

，

本文編號：2648702