【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,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,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試驗裝置、用戶裝置的尾場計算和可能的測量方法兩個方面出發(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)尾場所需運算時間,能夠克服三維模擬網(wǎng)格數(shù)過多帶來的限制,且能很好的貼近實際情況。為了確保電子束團(tuán)的運行軌跡,工作在級聯(lián)HGHG/EEHG模式下的波蕩器系統(tǒng)因為束流檢測設(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裝置進(jìn)行升級改造,除此之外的另一條基于SASE運行模式的波蕩器分支線也會安裝在隧道內(nèi),實現(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束團(tuán)分布,計算所得的尾場更加接近實際情況,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)波蕩器磁場強度來補償,且脈沖能量或輻射功率會隨著補償?shù)脑黾佣�。同�?SXFEL試驗裝置及用戶裝置可以采用梯度技術(shù)方法來實現(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射線脈沖時間分布也得到了很好的模擬驗證,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際。對SXFEL試驗裝置以及用戶裝置的設(shè)計、建設(shè)、調(diào)試有一定的應(yīng)用價值。
【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

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本文編號：2648702