新概念高效率X射线自由电子激光FEL物理与关键技术研究.docx
《新概念高效率X射线自由电子激光FEL物理与关键技术研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《新概念高效率X射线自由电子激光FEL物理与关键技术研究.docx（24页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
新概念高效率X射线自由电子激光FEL物理与关键技术研究
项目名称：
新概念、高效率X射线自由电子激光（FEL）物理与关键技术研究
首席科学家：
赵振堂中国科学院上海应用物理研究所
起止年限：
2011.1至2015.8
依托部门：
中国科学院
二、预期目标
对全相干、高效率的X射线FEL的各种新概念和技术途径进行深入的探索研究，跟上国际FEL领域发展的最前沿，力争取得具有原创性的成果，形成有特色的、先进的X射线FEL方案，为发展超快、高亮度、高效率、完全相干的第四代光源作出贡献；从理论与实验两个方面掌握全相干、高效率FEL的相关关键技术，如ERL、外种子谐波型FEL（级联HGHG、EEHG等）、超低发射度的高亮度注入器等，为我国未来建造先进的X射线FEL奠定技术和人才基础。
五年中，本项目将达到以下预期目标：
（1）提出和研究XFEL的新概念和关键物理问题，完成级联HGHG、EEHG、XFELO及ERL技术应用于X射线FEL的理论及可行性研究，在此基础上给出实现全相干、高效率、高性价比、先进的X射线FEL的优化方案；
（2）在深紫外自由电子激光装置上实现两级级联HGHG的原理验证实验，并开展相关的实验研究，全面掌握级联HGHG自由电子激光的辐射特性；
（3）在深紫外自由电子激光装置上实现基于EHGHG以及EEHG的自由电子激光运行模式的验证实验，并开展深入的实验研究；
（4）在对光阴极材料、光阴极注入器结构进行系统研究的基础上，研制能够满足XFEL低发射度要求,发射度小于1um,具有创新结构的光阴极注入器；
（5）研制出满足ERL高平均流强要求的射频超导腔，Q值不小于2x1010，对强流下高阶模的影响进行分析并找到吸收HOM功率的有效途径，设计并研制出适用于ERL的超导加速单元；
（6）集成ERL实验装置，开展各种相关实验研究，全面掌握ERL技术，为基于ERL的XFEL打下良好的基础；
（7）通过实现上述目标，培养出5-6名FEL及ERL领域的青年学术带头人，培养20名以上博士研究生。
三、研究方案
本项目的研究内容包括了理论探索研究、综合实验研究和关键部件研制等三个方面，理论探索研究主要以模拟计算为基础，全面分析各种FEL新机制的可行性并提出最优方案；综合实验研究的开展则需根据实验目标建设完善实验装置，制定详细的实验计划；关键部件研制则首先提出方案设想，然后在理论分析、模拟计算基础上完成设计方案，之后研制成样机并开展试验研究，根据实验结果再对原设计进行完善。
1．理论探索研究
全相干、高效率的X射线FEL是国际上FEL研究的重要研究方向和热点。
本项目将从理论上对全相干、高效率的X射线FEL的各种新概念和技术途径进行深入的探索研究；在已有的理论及实验研究基础上，建立完整的理论分析模型和适用于外种子谐波型FEL及FELO的、高效的数值模拟程序包。
本项目的最大特色是理论与实验相结合。
通过本项目的外种子谐波型FEL（级联HGHG、EEHG）实验和ERL-FEL振荡器实验，验证理论模型和数值模拟程序的可靠性，并对其进行完善。
在此基础上，进一步探索提高X射线FEL品质、降低X射线FEL装置规模的有效途径；利用理论模型和数值模拟程序，对X射线FEL新概念和新技术途径中的关键物理问题进行分析。
基于建成的实验装置，设计相应的实验方案，对理论分析和数值模拟结果进行验证，更好地完善理论模型和数值模拟程序，从而为FEL（特别是外种子谐波型FEL及FELO）的研究提供通用、可靠的工具，为未来建造硬X射线FEL装置提供完善的理论支持与保障。
获得全相干、高效率的X射线FEL是目前整个FEL研究领域瞄准的一个重要目标。
虽然目前提出了一系列新概念和新途径，如级联HGHG、EEHG、XFELO以及基于ERL技术的XFEL等，但要实施还需开展大量深入细致的基础性研究工作。
而且随着加速器技术、波荡器技术等的突破，必将会为建造全相干、高效率的X射线FEL提供新的契机。
因此开展新概念、高效率XFEL的基础研究，是一项开创性的工作。
2．综合实验研究
1）超高次谐波自由电子激光的关键技术与原理验证实验
在上海深紫外自由电子激光（SDUV-FEL）原有设计基础上做必要修改，主要包括增加一级激光注入、一级调制段波荡器以及一级色散段，改进后的两级调制段与色散段布局如图7所示（主要参数见表5），就可以进行诸多基于双调制段的超高次谐波自由电子激光工作模式的关键技术研究与原理性验证实验研究。
图7SDUV-FELEEHG实验布局示意图
表5SDUV-FELEEHG验证实验参数表
种子激光参数
波长s=1047nm，功率P=0~30MW,脉冲长度s=8ps
电子束参数
能量160MeV，发射度6.0mmmrad，能散0.01%
调制段
波荡器参数
参数
第一级
第二级
周期长度u（cm）
6.5
5
周期Nu
10
10
色散段参数
R56
0~70mm
0~10mm
辐射段
波荡器参数
周期u（cm）
2.5
周期数
360（6段，每段1.5m）
K
1.45
FEL参数
饱和功率P（MW）
~100MW
注：
种子激光2参数与种子激光1的参数一致
图8（a）给出了SDUV-FEL在EEHG工作模式下，辐射段波荡器中的功率增长情况，由于EEHG很强的密度调制和较小的能散引入，262nm辐射在5m处就达到饱和，饱和功率为100MW，饱和时的频谱分布如图8（b）所示，输出的辐射达到纵向全相干，为FourierTransformLimited光脉冲。
图8SDUV-FELEEHG原理验证实验功率增长（a）与饱和处光谱（b）
可以看到，在上海深紫外自由电子激光装置上，经过这些简单的硬件改进就能开展基于双调制段波荡器的超高次谐波自由电子激光的关键技术与实验研究，目前已经具备了这方面的实验能力。
据我们所知，目前SLAC正在积极部署基于EEHG的超高次谐波自由电子激光的原理验证实验，但是，SLAC的方案中辐射段波荡器很短，不能达到饱和输出，而上海深紫外自由电子激光装置拥有9m长高性能辐射段波荡器的突出优势，因而基于上海深紫外自由电子激光装置的方案将有望成为世界首个超高次谐波自由电子激光的实验，并能达到饱和输出，这将对我国高增益全相干自由电子激光的发展产生深远影响。
尽管EEHG运行模式具有很高的谐波转换效率，但是受限于传统激光的波长，很难通过一级EEHG得到全相干硬X射线自由电子输出，因此我们结合级联HGHG的新鲜束技术（Freshbunch）以及EEHG原理，提出了级联EEHG（EESHG）的运行模式，可以产生超高次的谐波辐射，其原理如图9所示。
图9EESHG原理示意图
EESHG由两级EEHG构成，中间辅以移相器，其中第一级为EEHG模式，第二级类似于传统的HGHG，但本质上与第一级构成EEHG模式。
z
z
z
p
p
p
（b）
（c）
（a）
图10EESHG纵向相空间演化
EESHG中纵向相空间的演化如图10所示，其中第一级的第一个调制段和色散段将整个束流转变为具有多个能带精细结构分布（图10（a）所示），第一级的第二个调制段和色散段只对电子束的尾部进行能量调制（图10（b））和密度调制（图10（c）），而后产生密度调制的尾部电子束进入第一级的辐射段将产生相干辐射，为了减小对已调制好的束流头部的影响，此辐射段的长度选取将只使辐射段运行在相干辐射阶段，这里产生的相干辐射将作为第二级能量调制的种子激光对束流头部产生调制，之后经过第二级的色散段对束流头部进行密度调制，将产生第一级辐射段辐射波长的高次谐波，因而相对于第一级种子激光的波长，谐波转换效率将大大提高。
如果这个方案能够得到实验上的验证，将为未来全相干硬X射线自由电子激光提供一条全新的技术途径。
2）级联高增益自由电子激光的关键技术与原理性实验研究
SDUVFEL是一台开展HGHG研究的专用试验装置。
它由一台160MeV高性能电子直线加速器、单级262nmHGHG（包括调制段、色散段和辐射段）以及紫外FEL诊断系统组成。
在SDUVFEL的262nmHGHG基础上，新设计研制小间隙短周期的第二级HGHG辐射波荡器产生131nmFEL，并设计100fs级种子激光系统（含高精度同步定时）和束团延迟线实现束团刷新，从而可建成国际上第一个两级级联HGHG试验装置，率先开展级联HGHG出光实验研究。
基于SDUVFEL的两级级联HGHG方案原理示意如图11，主要参数见表6。
图11SDUV-FEL的整体方案原理示意图（方框内为增加的第二级HGHG部分）
理论和数值计算表明，在25MW种子激光的作用下，160MeV电子束在第一级HGHG中，经过两段1.5m长的辐射段波荡器，产生90MW左右的262nm辐射，作为第二级的种子激光，而在第二级HGHG中，经过3段2m长的辐射段波荡器，被刷新的电子束团产生40MW左右的131nm辐射。
表6.基于SDUV-FEL的两级级联HGHG装置的主要参数
种子激光
波长s=786nm，功率P=0~50MW,脉冲长度s=30~100fs
电子束参数
能量160MeV，峰值电流300A，发射度6.0mmmrad，能散0.01%
波荡器参数
参数
第一级
第二级
周期u（cm）
5
2.5
2.5
1.8
间隙g（mm）
12~34
10
10
7.8
色散段参数
d/d
0.5
0.75
FEL参数
波长（nm）
786
262
262
131
增益长度Lg（m）
0.60
0.63
0.63
0.86
饱和功率P（MW）
100
40
X射线SASEFEL已经在实验上获得成功，而基于种子激光的级联X射线FEL是目前国际上的研究重点和发展方向。
因此，在我国高增益短波长FEL现有基础上，从关键技术、系统集成和整机集成多层面上掌握两级级联HGHG的多项重大核心技术，建设两级级联HGHG，更具有意义、也更加具有紧迫性。
基于SDUVFEL的两级级联HGHG装置建成之后，将在国际上率先评估硬X射线FEL中采用级联FEL工作模式以实现全相干XFEL的可行性，为国际上未来X射线FEL技术路线的选择提供科学依据，将为FEL领域做出重要贡献，使我国在该领域占有一席之地。
基于SDUVFEL的两级级联HGHG在技术上是可行的。
第二级HGHG所需波荡器和束流测量等设备的设计制造已经十分成熟，风险性小。
对于定时与同步系统，最近国际上的进展很快，多个研究组此类系统的技术指标已超过我们实验的要求，完全可以满足本实验的需要。
3）ERL关键技术与原理性实验研究
要真正掌握ERL技术，必须开展全面系统的实验研究。
为此我们将首先集成一个ERL实验装置，该装置包括注入器、并束段（Merger）、主加速器、返航束线、波荡器、光腔镜和垃圾靶等。
图12为ERL实验装置示意图，表7为主要参数。
我们选择注入器能量为5MeV,电子束能量为35MeV,既能保证开展在主要研究内容中所述各种ERL实验，又使整个装置的规模不致太大。
实验方案的设计则从研究能量回收机制入手，即在没有自由电子激光的条件下，如何实现高效率的能量回收。
之后研究ERL–FEL的各种物理与关键技术，同时也可根据实验结果也可对ERL装置进行完善并束段（Merger）的性能和改进途径。
我们对ERL技术已有较长时间的关注和研究，参考国际上的经验和我们的需求确定了北大ERL系统的主要并进行了束流光学初步设计设计。
初期样机的注入器将采用现有的DC-SC光阴极注入器，超导加速器运行所需的2K低温系统已经建成，ERL实验室也已建成，因此研究方案是完全可行的。
这将是我国第一个ERL实验装置并在我国首次实现ERL技术。
图12PKU-ERL实验装置
表7PKU-ERL主要参数
InjectEnergy
5MeV
MaximumEnergy
30MeV
BunchFrequency
26MHz
BunchCharge
~60pC
BunchlengthatEntranceofUndulator
~1ps
MacroPulseLength
2ms
Rep.FrequencyofMacroPulse
10Hz
EnergySpread（rms）
0.24%
TransverseEmittance
~3μm
LengthofUndulator
1.5m
λuofUndulator
3cm
KofUndulator
0.5-1.4
OpticalCavityLength
11.52m
WavelengthofFEL
4.7-8.3μm
3．关键部件研制
1）低发射度、高平均流强超导型光阴极注入器
低发射度、高平均流强超导型光阴极注入器是基于ERL的X射线FEL的关键部件。
我们将从模拟计算、激光器改造、光阴极材料和实验研究等几方面开展研究。
通过理论分析与模拟计算的方法，从束流动力学匹配、微波性能、机械性能、射频超导性能、结构热分析等方面考虑，完成低发射度、高平均流强超导注入器核心结构（电子枪结构和变速超导腔）的物理设计和结构设计。
对商用激光器的改造主要为设计光路对激光脉冲进行整形并控制光斑，以获得有利于降低发射度的束团横向分布、纵向分布和光斑大小；同时还要研制放大器以获得高电荷量电子束团所需要的激光脉冲能量。
我们还将对金属掺杂、半导体掺杂等阴极材料的性能进行研究，制备可以获得低发射度、高流强电子束的光阴极。
根据注入器能量特点将建立一套完备的满足在线需要、工作稳定可靠的束流品质测量方法，对注入器的主要束流参数：
流强、能散、发射度、束团电荷、脉宽、束斑等进行测量。
北京大学已有的2K低温系统和1.3GHz微波功率源，可以为注入器的实验提供条件，在光阴极注入器方面积累了比较丰富的经验。
通过研究完全有可能设计出具有创新结构的超导型光阴极注入器，并最终获得强流、低发射度的高品质电子束流。
2）低发射度、高峰值流强常温光阴极微波电子枪
低发射度、高峰值流强常温光阴极注入器是高增益紧凑高效自由电子激光装置的核心设备。
我们将在已经研制成功1.6单元BNL型光阴极微波电子枪的基础上，参考LCLS光阴极电子枪的设计和运行经验，通过功率对称馈送和跑道式腔型降低二极模和四极模的影响；增大电子枪不同结构单元的耦合孔，提高模式间隔，降低非工作模式0模对发射度的贡献，改善表面场分布；改变波导与电子枪的耦合，抑制热效应的影响。
同时进一步改进和探索在BNL型电子枪研制中已初步掌握的水基清洗和金铜焊料焊接的工艺，探索和掌握高梯度加速结构的加工和测试工艺。
通过这些结构改进和工艺探索，研制完成低发射度、高峰值流强光阴极微波电子枪。
微波与驱动激光脉冲的精确同步分为两部分解决：
首先通过高次谐波混频鉴相实现激光脉冲与参考微波源的相位同步，采用快速光电二极管对光信号进行采样，经过滤波得到激光的某个高次谐波，再将该信号与参考微波源进行鉴相，得到相差电平，根据相差电平通过反馈回路控制激光光腔的压控振荡器，实现锁相；然后研制高精度的数字低电平控制系统，保证微波源与电子枪中微波场的幅值和相位抖动，最终实现驱动激光与微波场相位的同步。
光阴极电子枪的驱动激光采用钛宝石激光系统，驱动激光的纵向整型将考虑两类方法：
利用钛宝石激光系统的宽频谱特性，采用频域整型技术，如声光可编程色散滤波器（Acousto-OpticProgrammableDispersiveFilter）方法；或者利用钛宝石激光系统的短脉冲特性，采用时域脉冲堆积方法。
驱动激光的横向空间整型，计划采用依赖于位置的衰减或者采用由低损的非球面镜对组成的折射光路来实现。
清华大学在研制1.6单元BNL型的光阴极微波电子枪过程中，搭建了电子枪束流实验平台，基本具备了开展低发射度、高峰值流强常温光阴极注入器的功率源、激光、束测、真空、冷却等硬件条件，同时已经开展了激光整形、同步控制等研究，初步验证了上述技术路线的可行性，积累了丰富的经验。
因此，采用上述技术路线，经过本项目的研究，为高增益高效自由电子激光装置提供低发射度、高峰值流强的高品质电子束是可行性的。
3）高平均流强超导加速单元
强流超导加速器是ERL的另一关键部件，它需要综合考虑液氦消耗、强流电子束产生的高阶模场的有效吸收等因素，以实现最佳性价比。
我们将通过理论分析与计算，确定用于ERL的强流超导加速器的最佳运行温度范围、最佳运行加速梯度范围和合适的每只腔单元数，并确定超导加速器总体运行参数。
另一个研究重点是高Q超导腔设计研制和设计、研制大功率高阶模耦合器及吸收体，达到有效吸收高阶模的目的。
强流超导加速单元的研究重点则是超流氦两相管道优化、频率调谐装置（快调谐和慢调谐）、热辐射屏的设计分析、磁屏蔽的设计考虑等。
与非强流超导腔相比，强流超导腔对磁屏蔽的要求更高，cryomodule设计需要考虑适用于室温和～2K温度的两种磁屏蔽。
通过优化设计超流氦两相管道、热辐射屏及选取合适的屏材料，保证强流超导腔的低温运行，并降低恒温器的静态热损，减小液氦系统的负担。
北京大学曾设计和研制了具有杠杆结构的TESLA型超导腔低温在线调谐器，本项目将在此基础上，优化设计用于强流超导腔的低温在线调谐结构，达到10Hz调谐精度和±200kHz调谐范围的要求，并对其进行低温测试。
北京大学已自行设计和研制了多种不同结构的超导腔，并研制成TESLA型9-cell腔超导加速单元，而且与美国ANL在强流超导腔方面也开展了初步的合作研究，这些均为用于ERL的强流超导腔的研究提供了基础和条件，设计和研制具有高品质因数的强流超导腔的方案是可行的。
通过理论分析、模拟计算、工艺加工与部件性能测试与调整，我们将完成用于ERL的强流超导加速器的研制，为国际上ERL技术发展作出贡献。
4）飞秒级精确同步系统
为保证新概念自由电子激光原理性实验（包括EEHG和级联HGHG）的进行，我们将研制成一套紧凑而完整的、同时面向多种不同系统的（激光，高频，束测，束流等）、可长期稳定运行的高性能飞秒级定时和同步系统，从主定时到激光、微波、束测等分系统的点到点信号稳定度达到10飞秒的先进水平，并在已经建成的上海深紫外自由电子激光装置上投入使用，同时精确控制激光、微波、束测等系统，产生高度同步的电子-激光束流，做出自由电子激光和束流物理方面国际一流的，有开创性的实验研究。
系统由光学主振荡器，光纤发布系统（链接激光系统，高频系统，束测系统等）以及各接口系统组成，实现极高水平的精确同步和控制。
为满足飞秒级定时与同步的需求，需要一台高性能的光学主振荡器并与参考微波晶振进行锁相。
为便于实现信号的传输与分布，选择波长1550nm的掺铒光纤激光器作为光学主振荡器。
使用基于平衡互相关方法的稳相光纤分布系统，将主振荡器产生的光脉冲序列传输到各个需要的设备。
同样采用基于平衡互相关的方法检测传输信号与反射信号的相位差，通过慢反馈控制光学延时器件的延时以补偿系统慢漂，同时通过较快的反馈控制压电陶瓷控制光纤的长度，实现长期<10fs的稳定度。
最后使用基于光学－微波相位检测器的光脉冲－高频转换器，实现参考信号的本地恢复。
5）小周期波荡器
X射线自由电子激光一般需要长度为几十米至上百米的小周期波荡器，并对场强和精度有很高的要求。
近年来，这方面的新技术不断涌现，有望大大缩短X射线自由电子激光的规模。
真空内波荡器是目前被广泛采用的自由电子激光辐射段的先进磁铁技术，其波荡器周期长度可以短至1到2厘米之间，磁场强度也可以满足大部分的需要。
低温波荡器是另一种很有前途的技术，由于自旋取向相变（SpinReorientationTransition）效应，永久磁铁在一定低温下的磁场特性会明显有异于常温的时候，利用这一性质，可以设计制造在普通低温环境（如100-150K）中工作的超小周期真空内强场波荡器。
我们计划研制通用型的真空内波荡器，周期长度为1.5-2.0cm，最高工作场强在1特斯拉左右。
同时积极开展低温波荡器的设计探讨。
小周期波荡器的研制成功不仅是本项目实验计划成功的有力保障，也有希望明显缩短未来X射线自由电子激光装置的长度，还可以使中小型自由电子激光装置更加紧凑，从而应用于更广泛的领域。
四、年度计划
年度
研究内容
预期目标
第
一
年
理论：
EEHG和级联HGHG的理论研究；
技术：
超导光阴极注入器和常温电子枪的模拟计算与结构设计；进行超导加速器运行温度、加速梯度、每只腔的单元（cell）数进行综合比较研究；
实验：
基于SDUV的EEHG和CascadeHighGainHarmonicGeneration-方案设计；
完成ERL注入器出束并达到引出电子束能量为3-5MeV,束流发射度约为3mmmrad、电子束平均流强为毫安量级；
完成初步EEHG和级联HGHG模拟计算，磁聚焦结构设计，第一级调制段硬件系统的设计制造；
完成调制段的激光-电子束流相互作用实验；
第
二
年
理论：
继续CascadeHighGainHarmonicGeneration的理论研究；开始基于ERL的XFELO原理研究
技术：
进行超导电子枪激光功率放大技术关键部件的研制。
进行强流超导腔试验腔的初步研制。
实验：
SDUVEEHG和级联HGHG-硬件安装和实验；
完成ERL主加速器的研制和与注入器的束流联调；完成束流环路的安装并进行初步调试。
完成SDUV第一级辐射段硬件系统的设计制造；完成第一级辐射段出光实验；
进行第二级调制段激光-束流相互作用实验，实现所有调制段的能量和密度调制；
第
三
年
理论：
CascadeHGHG的噪声理论研究；ERL的物理研究
技术：
加工制造常温光阴极电子枪；开展激光整形技术实验研究；研制激光与微波的亚皮秒同步控制系统。
实验：
SDUV进行EEHG和级联HGHG-实验；
完成超导注入器和常温电子枪整机制造；
激光与微波的亚皮秒同步控制系统调试完成；
实现对于皮秒束流的两段同时激光-电子束流相互作用（同步的调制）实验
第
四
年
理论：
超高次EEHG的理论研究；ERL加速器的物理研究
技术：
加工制造常温光阴极电子枪；开展激光整形技术实验研究；研制激光与微波的亚皮秒同步控制系统。
进行波荡器和光腔端镜等的性能测试。
实验：
SDUV进行EEHG的高次谐波探索实验以及CascadeHighGainHarmonicGeneration级联原理性实验
实现强流超导加速单元载束运行；性能指标基本达到要求。
完成ERL环路调试，实现电子束的能量回收，完成相关实验研究内容。
实现高次谐波（大于6次）Echo-enabledHarmonicGeneration的物理实验
初步完成786nm到393nm再到196nm的SDUVCascadeHighGainHarmonicGeneration级联原理性实验
第
五
年
理论：
全面总结基于ERL的全相干X射线自由电子激光的物理。
技术：
开展超导注入器与常温电子枪的调试和实验研究，发现问题并进行改进。
进行强流超导加速单元组装及静态和载束调试；
实验：
继续开展超导注入器与常温电子腔的和实验研究，
将波荡器和光腔镜安装到ERL束流环路中，开展FEL实验；研究FEL出光对电子束能散度和发射度的影响及其对能量回收的影响；
升级会员 