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6.0mm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u(cm）6.55周期Nu1010色散段参数R560~70mm0~10mm辐射段波荡器参数周期u(cm）2.5周期数360（6段，每段1.5m）K1.45FEL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。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。(a)(b)(c)pppzzz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6.0mmmrad，能散0.01%波荡器参数参数第一级第二级周期u(cm）52.52.51.8间隙g(mm)12~3410107.8色散段参数d/d0.50.75FEL参数波长(nm)786262262131增益长度Lg(m)0.600.630.630.86饱和功率P(MW)10040X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直线加速器786nm种子激光第一级HGHG第二级HGHG262nm131nm电子枪直线加速器电子枪求，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InjectEnergy5MeVMaximumEnergy30MeVBunchFrequency26MHzBunchCharge~60pCBunchlengthatEntranceofUndulator~1psMacroPulseLength2msRep.FrequencyofMacroPulse10HzEnergySpread(rms)0.24%TransverseEmittance~3μmLengthofUndulator1.5mλuofUndulator3cmKofUndulator0.5-1.4Op