论文摘要
自由电子激光（Free Electron Lasers,FELs）能够产生高亮度,高功率,全相干,以及超短脉冲的X射线辐射。这些特性使其在生物,化学,医学,物理等许多领域展现出十分耀眼的活力。从最初理论的提出到现在,短短几十年间,自由电子激光得到了飞速的发展,并且在常规激光器难以实现的远红外,极紫外,X射线波段建成了用户装置。在X射线波段的应用中,生物大分子单颗粒相干衍射成像（Coherent Diffraction Imaging,CDI）,泵浦-探针（Pump-Probe）对超快物理化学动力学过程的探测,以及强场极端条件下物理等领域的研究对具有全相干,超快,高稳定性,高功率的X射线FEL光源有着强烈的需求。现有的X射线FEL用户装置主要都工作在自放大辐射（Self-Amplified Spon-taneous Emission,SASE）模式,比如,已建成的FLASH（德国）,LCLS（美国）,SACLA（日本）,European-XFEL（德国）,以及正在建造的,SwissFEL（瑞士）,PAL-XFEL（韩国）,和SHINE（中国）。SASE模式下产生的辐射脉冲虽然具有横向全相干,但是纵向相干性很差,这是由于SASE起源于电子的分布噪声。为了提高X射线FEL脉冲的纵向相干性,自种子（self-seeding）FEL方案被提出。自种子FEL由三部分组成,第一部分是工作在指数增长阶段的SASE FEL,第二部分是单色器和电子旁路通道（由chicane充当）,第三部分是FEL放大器。第一部分产生的SASE脉冲通过单色器后会产生单色的种子光,同时电子通过chicane,以补偿单色器中产生的光程差和洗掉电子的的微群聚。在第三部分,单色的种子光和电子重叠在一起并被放大到饱和。在软X射线波段,光栅可以作为单色器。在硬X射线波段,用晶体作为单色器,特别是利用单个晶体单色器的紧凑型硬X射线自种子（Hard X-Ray Self-Seeding,HXRSS）FEL方案（已经在LCLS实现）。虽然HXRSS FEL能够产生全相干的脉冲,但是实验表明其输出脉冲能量抖动性很大（～50%r.m.s.）。此外,现实中的FEL用户装置波荡器长度有限,为了得到更高功率的脉冲输出,就必须要提高FEL的效率。随着FEL重复频率的增加,热负载问题可能造成晶体单色器不可逆损伤,这将对光的品质以及装置的稳定运行造成影响。因此,对于高重复频率装置,HXRSS FEL的方案设计需要把热负载问题考虑进来。基于这一些问题,本论文对种子光的数值模拟、种子光频率特性、高效率HXRSS,HXRSS稳定性进行了研究。另外,还对高重复频率装置LCLS-Ⅱ的HXRSS FEL方案进行了研究。本文内容简介如下:（1）背景和理论部分:第一章本文回顾了FEL发展历史,总结了当前发展状态,讨论了以后可能的发展方向。为了进一步研究HXRSS FEL,第二章对FEL基本理论进行了简要介绍,第三章对X射线衍射动力学理论进行了介绍。（2）HXRSS FEL种子光性质研究:第四章首先研究了种子光的模拟,包括1-D,准3-D,3-D的数值模拟方法。然后研究了种子光的频谱特性,以及HXRSS FEL的长电子束和短电子束运行模式。（3）高效率HXRSS FEL研究:第五章首先简单回顾了现有的高效率HXRSS FEL方案,然后提出了一个新的提高HXRSS FEL效率的方案。该方案提出,适当调节晶体偏离布拉格条件可提高种子光能量,进而提高HXRSS FEL的效率。（4）HXRSS FEL稳定性研究:在实际装置中,导致HXRSS FEL不稳定性的原因非常复杂,但这些原因从根源是影响的是种子光能量的抖动。这些原因包括电子束能量抖动、SASE与晶体表面夹角抖动、电子束和种子光相对时间抖动、晶体单色器带宽、晶体失谐效应、继承于SASE的抖动等等。第六章对这些不稳定性进行了研究,并对提高HXRSS FEL稳定性制定了相应参数标准。（5）LCLS-Ⅱ HXRSS方案研究:对于高重复频率的装置,HXRSS方案的设计需要考虑到热负载问题。基于热负载考虑,LCLS-Ⅱ最初提出级联式HXRSS方案。在第七章,我们发现级联式HXRSS方案相比一级HXRSS方案没有任何优势。最后,本文通过优化模拟,提出了一个一级HXRSS优化方案。该方案不仅能够覆盖LCLS-Ⅱ SCRF-Linac产生的4 GeV和8 GeV电子束运行模式,而且还能覆盖基于CuRF-Linac运行模式。
论文目录
英文部分 Abstract Acknowledgements 1 Introduction 1.1 Overview of FELs 1.2 FEL operation modes 1.3 Future development of FELs 1.4 Thesis organization and innovation 2 Basic principles of Free Electron Lasers 2.1 Electron beams 2.1.1 Electron beam phase space 2.1.2 Electron beam emittance 2.1.3 Electron beam propagation 2.1.4 Electron distribution in phase space 2.2 Radiation beams 2.2.1 Angular spectrum diffraction 2.2.2 Radiation energy transport 2.2.3 Wigner distribution function 2.2.4 Spatial and temporal coherence 2.3 Basic FEL theory 2.3.1 Electron trajectory in an undulator 2.3.2 Longitudinal dynamics of FEL 2.3.3 Low-gain regime 2.3.4 High-gain regime 2.3.5 1-D solution of high-gain FEL 2.3.6 Parameter optimization of high-gain FEL 2.4 Fully coherent free electron lasers 2.4.1 External seeded free electron laser 2.4.2 Self-seeding free electron laser 2.4.3 X-ray Free electron laser oscillator 2.5 FEL simulation codes 2.6 Conclusion 3 Dynamical theory of X-ray diffraction 3.1 Historical developments 3.2 Dynamical theory of X-ray diffraction 3.2.1 Maxwell equations inside the crystal 3.2.2 Solution for two-beam diffraction 3.2.3 Dispersion surface in reciprocal space 3.2.4 Bragg and Laue diffraction geometries 3.2.5 Crystal detuning effect in X-ray diffraction 3.2.6 Darwin width in Bragg geometry 3.3 Transmissiveity and reflectivity in Bragg and Laue geometries 3.3.1 Amplitude ratio of refracted and reflected waves 3.3.2 Thin crystal in Bragg geometry 3.3.3 Thin crystal in Laue geometry 3.3.4 Transverse offset of Bragg diffraction 3.4 The applications in HXRSS FEL 3.5 Summary and discussion 4 Studies on seed generation and seed properties of HXRSS 4.1 Introduction and motivation 4.2 Seed generation for HXRSS FEL 4.2.1 One dimensional seed generation 4.2.2 Quasi-three-dimensional seed generation 4.2.3 Three dimensional seed generation 4.3 Spectral properties of seed 4.4 HXRSS FEL operation mode 4.4.1 Short-bunch operation mode 4.4.2 Long-bunch operation mode 4.5 Summary and conclusion 5 Efficiency enhancement by crystal detuning in HXRSS FEL 5.1 Introduction and motivation 5.2 Efficiency enhancement by undulator tapering 5.3 Efficiency enhancement by crystal detuning effect 5.3.1 Detuning effect of crystal monochromator 5.3.2 Crystal detuning in hard self-seeding FEL 5.3.3 Crystal detuning effect in XFELO 5.4 Summary and discussion 6 The fluctuation of hard X-ray self-seeding Free Electron Laser 6.1 Intrinsic fluctuation of SASE 6.2 Fluctuation associated with crystal bandwidth 6.3 Fluctuation arising from electron beam energy jitter 6.4 Fluctuation induced by the angular jitter 6.5 Fluctuation arising from the time jitter 6.6 Fluctuation caused by crystal detuning effect 6.7 Summary and discussion 7 An optimal HXRSS scheme of LCLS-Ⅱ 7.1 The operating modes of LCLS-Ⅱ 7.2 Self-seeding scheme 7.3 Damage discussion 7.4 HXRSS of LCLS-Ⅱ 4GeV operation mode 7.4.1 Electron beam and crystal parameters 7.4.2 Lower limit: 3.25 keV 7.4.3 Upper limit: 4.25 keV 7.5 HXRSS of LCLS-Ⅱ-HE 8GeV operation mode 7.5.1 Electron beam and crystal parameters 7.5.2 One-stage HXRSS investigation 7.5.3 Emittance tolerance investigation 7.6 HXRSS of CuRF-Linac operation mode 7.7 Conclusion 8 Summary and discussion 8.1 Summary 8.2 Discussion Bibliography Biography中文部分 中文摘要 第一部分 绪论 第二部分 自由电子激光基本理论 第三部分 X射线衍射动力学理论 第四部分 种子光的数值模拟和种子光特性研究 第五部分 髙效率硬X射线自种子自由电子激光研究 第六部分 硬X射线自种子自由电子激光种子能量的抖动性研究 第七部分 LCLS-Ⅱ硬X射线自种子自由电子激光方案研究 第八部分 总结和展望
文章来源
类型: 博士论文
作者: 杨川
导师: 何多慧,吴飓昊,李京祎
关键词: 自由电子激光,射线,自种子,射线衍射动力学,晶体单色器,高效率,稳定性,高重复频率,热负载,损伤阈值
来源: 中国科学技术大学
年度: 2019
分类: 基础科学
专业: 物理学
单位: 中国科学技术大学
分类号: O434.1
总页数: 195
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标签：自由电子激光论文; 射线论文; 自种子论文; 射线衍射动力学论文; 晶体单色器论文; 高效率论文; 稳定性论文; 高重复频率论文; 热负载论文; 损伤阈值论文;
