项目名称新概念高效率X射线自由电子激光FEL物理与.docx

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项目名称新概念高效率X射线自由电子激光FEL物理与

项目名称：

新概念高效率X射线自由电子激光（FEL）物理与

新概念、高效率X射线自在电子激光〔FEL〕物理与关键技术研讨

首席迷信家：

赵振堂中国迷信院上海运用物理研讨所

起止年限：

2020.1至2021.8

依托部门：

中国迷信院

二、预期目的

对全相关、高效率的X射线FEL的各种新概念和技术途径停止深化的探求研讨，跟上国际FEL范围开展的最前沿，力争取得具有原创性的效果，构成有特征的、先进的X射线FEL方案，为开展超快、高亮度、高效率、完全相关的第四代光源作出贡献；从实际与实验两个方面掌握全相关、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，本项目将到达以下预期目的：

（1）提出和研讨XFEL的新概念和关键物理效果，完成级联HGHG、EEHG、XFELO及ERL技术运用于X射线FEL的实际及可行性研讨，在此基础上给出完成全相关、高效率、高性价比、先进的X射线FEL的优化方案；

（2）在深紫外自在电子激光装置上完成两级级联HGHG的原理验证明验，并展开相关的实验研讨，片面掌握级联HGHG自在电子激光的辐射特性；

（3）在深紫外自在电子激光装置上完成基于EHGHG以及EEHG的自在电子激光运转形式的验证明验，并展开深化的实验研讨；

（4）在对光阴极资料、光阴极注入器结构停止系统研讨的基础上，研制可以满足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停止剖析并找到吸收HOM功率的有效途径，设计并研制出适用于ERL的超导减速单元；

〔6〕集成ERL实验装置，展开各种相关实验研讨，片面掌握ERL技术，为基于ERL的XFEL打下良好的基础；

〔7〕经过完成上述目的，培育出5-6名FEL及ERL范围的青年学术带头人，培育20名以上博士研讨生。

三、研讨方案

本项目的研讨内容包括了实际探求研讨、综合实验研讨和关键部件研制等三个方面，实际探求研讨主要以模拟计算为基础，片面剖析各种FEL新机制的可行性并提出最优方案；综合实验研讨的展开那么需依据实验目的树立完善实验装置，制定详细的实验方案；关键部件研制那么首先提出方案想象，然后在实际剖析、模拟计算基础上完成设计方案，之后研制成样机并展开实验研讨，依据实验结果再对原设计停止完善。

1．实际探求研讨

全相关、高效率的X射线FEL是国际上FEL研讨的重要研讨方向和热点。

本项目将从实际上对全相关、高效率的X射线FEL的各种新概念和技术途径停止深化的探求研讨；在已有的实际及实验研讨基础上，树立完整的实际剖析模型和适用于外种子谐波型FEL及FELO的、高效的数值模拟顺序包。

本项目的最大特征是实际与实验相结合。

经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，验证实际模型和数值模拟顺序的牢靠性，并对其停止完善。

在此基础上，进一步探求提高X射线FEL质量、降低X射线FEL装置规模的有效途径；应用实际模型和数值模拟顺序，对X射线FEL新概念和新技术途径中的关键物理效果停止剖析。

基于建成的实验装置，设计相应的实验方案，对实际剖析和数值模拟结果停止验证，更好地完善实际模型和数值模拟顺序，从而为FEL〔特别是外种子谐波型FEL及FELO〕的研讨提供通用、牢靠的工具，为未来建造硬X射线FEL装置提供完善的实际支持与保证。

取得全相关、高效率的X射线FEL是目前整个FEL研讨范围瞄准的一个重要目的。

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，但要实施还需展开少量深化细致的基础性研讨任务。

而且随着减速器技术、波荡器技术等的打破，必将会为建造全相关、高效率的X射线FEL提供新的契机。

因此展开新概念、高效率XFEL的基础研讨，是一项开创性的任务。

2．综合实验研讨

1〕超高次谐波自在电子激光的关键技术与原理验证明验

在上海深紫外自在电子激光〔SDUV-FEL〕原有设计基础上做必要修正，主要包括添加一级激光注入、一级调制段波荡器以及一级色散段，改良后的两级调制段与色散段规划如图7所示〔主要参数见表5〕，就可以停止诸多基于双调制段的超高次谐波自在电子激光任务形式的关键技术研讨与原理性验证明验研讨。

图7SDUV-FELEEHG实验规划表示图

表5SDUV-FELEEHG验证明验参数表

种子激光参数

波长λs=1047nm，功率P=0~30MW,脉冲长度τs=8ps

电子束参数

能量160MeV，发射度6.0mm⋅mrad，能散0.01%

调制段

波荡器参数

参数

第一级

第二级

周期长度λu（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λu（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的参数分歧

图8〔a〕给出了SDUV-FEL在EEHG任务形式下，辐射段波荡器中的功率增长状况，由于EEHG很强的密度调制和较小的能散引入，262nm辐射在5m处就到达饱和，饱和功率为100MW，饱和时的频谱散布如图8〔b〕所示，输入的辐射到达纵向全相关，为FourierTransformLimited光脉冲。

图8SDUV-FELEEHG原理验证明验功率增长〔a〕与饱和处光谱〔b〕

可以看到，在上海深紫外自在电子激光装置上，经过这些复杂的硬件改良就能展开基于双调制段波荡器的超高次谐波自在电子激光的关键技术与实验研讨，目前曾经具有了这方面的实验才干。

据我们所知，目前SLAC正在积极部署基于EEHG的超高次谐波自在电子激光的原理验证明验，但是，SLAC的方案中辐射段波荡器很短，不能到达饱和输入，而上海深紫外自在电子激光装置拥有9m长高功用辐射段波荡器的突出优势，因此基于上海深紫外自在电子激光装置的方案将有望成为世界首个超高次谐波自在电子激光的实验，并能到达饱和输入，这将对我国高增益全相关自在电子激光的开展发生深远影响。

虽然EEHG运转形式具有很高的谐波转换效率，但是受限于传统激光的波长，很难经过一级EEHG失掉全相关硬X射线自在电子输入，因此我们结合级联HGHG的新颖束技术〔Freshbunch〕以及EEHG原理，提出了级联EEHG〔EESHG〕的运转形式，可以发生超高次的谐波辐射，其原理如图9所示。

图9EESHG原理表示图

EESHG由两级EEHG构成，中间辅以移相器，其中第一级为EEHG形式，第二级相似于传统的HGHG，但实质上与第一级构成EEHG形式。

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散布〔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停止能量调制〔图10〔b〕〕和密度调制〔图10〔c〕〕，然后发生密度调制的尾部电子束进入第一级的辐射段将发生相关辐射，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转在相关辐射阶段，这里发生的相关辐射将作为第二级能量调制的种子激光对束流头部发生调制，之后经过第二级的色散段对束流头部停止密度调制，将发生第一级辐射段辐射波长的高次谐波，因此相关于第一级种子激光的波长，谐波转换效率将大大提高。

假设这个方案可以失掉实验上的验证，将为未来全相关硬X射线自在电子激光提供一条全新的技术途径。

2〕级联高增益自在电子激光的关键技术与原理性实验研讨

SDUVFEL是一台展开HGHG研讨的公用实验装置。

它由一台160MeV高功用电子直线减速器、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辐射波荡器发生131nmFEL，并设计100fs级种子激光系统〔含高精度同步定时〕和束团延迟线完成束团刷新，从而可建成国际上第一个两级级联HGHG实验装置，率先展开级联HGHG出光实验研讨。

基于SDUVFEL的两级级联HGHG方案原理表示如图11，主要参数见表6。

图11SDUV-FEL的全体方案原理表示图〔方框内为添加的第二级HGHG局部〕

实际和数值计算说明，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，发生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，被刷新的电子束团发生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λs=786nm，功率P=0~50MW,脉冲长度τs=30~100fs

电子束参数

能量160MeV，峰值电流300A，发射度6.0mm⋅mrad，能散0.01%

波荡器参数

参数

第一级

第二级

周期λu（cm〕

5

2.5

2.5

1.8

间隙g（mm）

12~34

10

10

7.8

色散段参数

dψ/dγ

0.5

0.75

FEL参数

波长λ（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曾经在实验上取得成功，而基于种子激光的级联X射线FEL是目前国际上的研讨重点和开展方向。

因此，在我国高增益短波长FEL现有基础上，从关键技术、系统集成和零件集成多层面上掌握两级级联HGHG的多项严重中心技术，树立两级级联HGHG，更具有意义、也愈加具有紧迫性。

基于SDUVFEL的两级级联HGHG装置建成之后，将在国际上率先评价硬X射线FEL中采用级联FEL任务形式以完成全相关XFEL的可行性，为国际上未来X射线FEL技术路途的选择提供迷信依据，将为FEL范围做出重要贡献，使我国在该范围占有一席之地。

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曾经十分成熟，风险性小。

关于定时与同步系统，最近国际上的停顿很快，多个研讨组此类系统的技术目的已超越我们实验的要求，完全可以满足本实验的需求。

3〕ERL关键技术与原理性实验研讨

要真正掌握ERL技术，必需展开片面系统的实验研讨。

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〕、主减速器、返航束线、波荡器、光腔镜和渣滓靶等。

图12为ERL实验装置表示图，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,既能保证展开在主要研讨内容中所述各种ERL实验，又使整个装置的规模不致太大。

实验方案的设计那么从研讨能量回收机制入手，即在没有自在电子激光的条件下，如何完成高效率的能量回收。

之后研讨ERL–FEL的各种物理与关键技术，同时也可依据实验结果也可对ERL装置停止完善并束段〔Merger〕的功用和改良途径。

我们对ERL技术已有较长时间的关注和研讨，参考国际上的阅历和我们的需求确定了北大ERL系统的主要并停止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，超导减速器运转所需的2K高温系统曾经建成，ERL实验室也已建成，因此研讨方案是完全可行的。

这将是我国第一个ERL实验装置并在我国初次完成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、光阴极资料和实验研讨等几方面展开研讨。

经过实际剖析与模拟计算的方法，从束活动力学婚配、微波功用、机械功用、射频超导功用、结构热剖析等方面思索，完成低发射度、高平均流强超导注入器中心结构〔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停止整形并控制光斑，以取得有利于降低发射度的束团横向散布、纵向散布和光斑大小；同时还要研制缩小器以取得高电荷量电子束团所需求的激光脉冲能量。

我们还将对金属掺杂、半导体掺杂等阴极资料的功用停止研讨，制备可以取得低发射度、高流强电子束的光阴极。

依据注入器能量特点将树立一套完备的满足在线需求、任务动摇牢靠的束流质量测量方法，对注入器的主要束流参数：

流强、能散、发射度、束团电荷、脉宽、束斑等停止测量。

北京大学已有的2K高温系统和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聚了比拟丰厚的阅历。

经过研讨完全有能够设计出具有创新结构的超导型光阴极注入器，并最终取得强流、低发射度的高质量电子束流。

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在电子激光装置的中心设备。

我们将在曾经研制成功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转阅历，经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，提高形式距离，降低非任务形式0模对发射度的贡献，改善外表场散布；改动波导与电子枪的耦合，抑制热效应的影响。

同时进一步改良和探求在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，探求和掌握高梯度减速结构的加工和测试工艺。

经过这些结构改良和工艺探求，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准确同步分为两局部处置：

首先经过高次谐波混频鉴相完成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停止采样，经过滤波失掉激光的某个高次谐波，再将该信号与参考微波源停止鉴相，失掉相差电平，依据相差电平经过反应回路控制激光光腔的压控振荡器，完成锁相；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颤抖，最终完成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思索两类方法：

应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；或许应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，方案采用依赖于位置的衰减或许采用由低损的非球面镜对组成的折射光路来完成。

清华大学在研制1.6单元BNL型的光阴极微波电子枪进程中，搭建了电子枪束流实验平台，基本具有了展开低发射度、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，同时曾经展开了激光整形、同步控制等研讨，初步验证了上述技术路途的可行性，积聚了丰厚的阅历。

因此，采用上述技术路途，经过本项目的研讨，为高增益高效自在电子激光装置提供低发射度、高峰值流强的高质量电子束是可行性的。

3〕高平均流强超导减速单元

强流超导减速器是ERL的另一关键部件，它需求综合思索液氦消耗、强流电子束发生的高阶模场的有效吸收等要素，以完成最正确性价比。

我们将经过实际剖析与计算，确定用于ERL的强流超导减速器的最正确运转温度范围、最正确运转减速梯度范围和适宜的每只腔单元数，并确定超导减速器总体运转参数。

另一个研讨重点是高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，到达有效吸收高阶模的目的。

强流超导减速单元的研讨重点那么是超流氦两相管道优化、频率调谐装置〔快调谐和慢调谐〕、热辐射屏的设计剖析、磁屏蔽的设计思索等。

与非强流超导腔相比，强流超导腔对磁屏蔽的要求更高，cryomodule设计需求思索适用于室平和～2K温度的两种磁屏蔽。

经过优化设计超流氦两相管道、热辐射屏及选取适宜的屏资料，保证强流超导腔的高温运转，并降低恒温器的静态热损，减小液氦系统的担负。

北京大学曾设计和研制了具有杠杆结构的TESLA型超导腔高温在线调谐器，本项目将在此基础上，优化设计用于强流超导腔的高温在线调谐结构，到达10Hz调谐精度和±200kHz调谐范围的要求，并对其停止高温测试。

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腔超导减速单元，而且与美国ANL在强流超导腔方面也展开了初步的协作研讨，这些均为用于ERL的强流超导腔的研讨提供了基础和条件，设计和研制具有高质量因数的强流超导腔的方案是可行的。

经过实际剖析、模拟计算、工艺加工与部件功用测试与调整，我们将完成用于ERL的强流超导减速器的研制，为国际上ERL技术开展作出贡献。

4）飞秒级准确同步系统

为保证新概念自在电子激光原理性实验〔包括EEHG和级联HGHG〕的停止，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〕、可临时动摇运转的高功用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动摇度到达10飞秒的先进水平，并在曾经建成的上海深紫外自在电子激光装置上投入运用，同时准确控制激光、微波、束测等系统，发生高度同步的电子-激光束流，做出自在电子激光和束流物理方面国际一流的，有开创性的实验研讨。

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，完成极高水平的准确同步和控制。

为满足飞秒级定时与同步的需求，需求一台高功用的光学主振荡器并与参考微波晶振停止锁相。

为便于完成信号的传输与散布，选择波长1550nm的掺铒光纤激光器作为光学主振荡器。

运用基于平衡相互关方法的稳相光纤散布系统，将主振荡器发生的光脉冲序列传输到各个需求的设备。

异样采用基于平衡相互关的方法检测传输信号与反射信号的相位差，经过慢反应控制光学延时器件的延时以补偿系统慢漂，同时经过较快的反应控制压电陶瓷控制光纤的长度，完生临时<10fs的动摇度。

最后运用基于光学－微波相位检测器的光脉冲－高频转换器，完成参考信号的本地恢复。

5）小周期波荡器

X射线自在电子激光普通需求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，这方面的新技术不时涌现，有望大大延长X射线自在电子激光的规模。

真空内波荡器是目前被普遍采用的自在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局部的需求。

高温波荡器是另一种很有出路的技术，由于自旋取向相变〔SpinReorientationTransition〕效应，永世磁铁在一定高温下的磁场特性会清楚有异于常温的时分，应用这一性质，可以设计制造在普通高温环境〔如100-150K〕中任务的超小周期真空内强场波荡器。

我们方案研制通用型的真空内波荡器，周期长度为1.5-2.0cm，最高任务场强在1特斯拉左右。

同时积极展开高温波荡器的设计讨论。

小周期波荡器的研制成功不只是本项目实验方案成功的有力保证，也有希望清楚延长未来X射线自在电子激光装置的长度，还可以使中小型自在电子激光装置愈加紧凑，从而运用于更普遍的范围。

四、年度方案

年度

研讨内容

预期目的

第

一

年

实际：

EEHG和级联HGHG的实际研讨；

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；停止超导减速器运转温度、减速梯度、每只腔的单元〔cell〕数停止综合比拟研讨；

实验：

基于SDUV的EEHG和CascadeHighGainHarmonicGeneration-方案设计；

完成ERL注入器出束并到达引出电子束能量为3-5MeV,束流发射度约为3mm⋅mrad、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

实际：

继续CascadeHighGainHarmonicGeneration的实际研讨；末尾基于ERL的XFELO原理研讨

技术：

停止超导电子枪激光功率缩小技术关键部件的研制。

停止强流超导腔实验腔的初步研制。

实验：

SDUVEEHG和级联HGHG-硬件装置和实验；

完成ERL主减速器的研制和与注入器的束流联调；完成束流环路的装置并停止初步伐试。

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；

停止第二级调制段激光-束流相互作用实验，完成一切调制段的能量和密度调制；

第

三

年

实际：

CascadeHGHG的噪声实际研讨；ERL的物理研讨

技术：

加工制造常温光阴极电子枪；展开激光整形技术实验研讨；研制激光与微波的亚皮秒同步控制系统。

实验：

SDUV停止EEHG和级联HGHG-实验；

完成超导注入器和常温电子枪零件制造；

激光与微波的亚皮秒同步控制系统调试完成；

完成关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

实际：

超高次EEHG的实际研讨；ERL减速器的物理研讨

技术：

加工制造常温光阴极电子枪；展开激光整形技术实验研讨；研制激光与微波的亚皮秒同步控制系统。

停止波荡器和光腔端镜等的功用测试。

实验：

SDUV停止EEHG的高次谐波探务实验以及CascadeHighGainHarmonicGeneration级联原理性实验

完成强流超导减速单元载束运转；功用目的基本到达要求。

完成ERL环路调试，完成电子束的能量回收，完成相关实验研讨内容。

完成高次谐波〔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

实际：

片面总结基于ERL的全相关X射线自在电子激光的物理。

技术：

展开超导注入器与常温电子枪的调试和实验研讨，发现效果并停止改良。

停止强流超导减速单元组装及静态和载束调试；

实验：

继续展开超导注入器与常温电子腔的和实验研讨，

将波荡器和光腔镜装置到ERL束流环路中，展开FEL实验；研讨FEL出光对电子束能散度和发射度的影