低温准周期DELTA波荡器理论及关键技术研究

Insertion devices are one of the key components in advanced light source, including high-energy synchrotron radiation sources, the linac-based X-ray free electron laser facilities, and the energy recovery linac (ERL)-based X-ray light sources. With the proposal of diffraction-limited storage rings (DLSR) and its rapid development, it makes possible a reduction of horizontal beam aperture to the size of the vertical, i.e., the beam aperture can be round, which could be exploited for the design of insertion devices to enhance magnetic field properties for round gap. The concept of Quasi-periodic DELTA undulator working at liquid nitrogen temperature is promoted in this project which first concentrates a number of specific features on an undulator: taking advantage of round beam and magnetic properties in low temperature, full polarization control, much stronger magnetic field than EPU and normal DELTA undulator, depression of higher harmonics and compactness. This project is committed to the physical and technical studies on a cryogenic quasi-periodic DELTA undulator: the relation between the optical performance coupled with polarization and harmonics and the structure parameters, realization of the special mechanical structure to sustain very strong magnetic loading, the high difficult integration, development of the dedicated magnetic measurement bench for small and closed structure, evaluation and correction of magnetic field errors to the overall optical performance. It’s quite important to grasp the key technologies of cryogenic quasi-periodic DELTA undulator, which will push the development of superior insertion devices, and make it possible to offer users a high-performance light source with a great deal of benefits in high-energy DLSR.

插入件是先进光源（包含高能同步辐射光源、X射线自由电子激光、基于能量回收型直线加速器的 X 射线装置等）的核心部件和重要发展方向之一。伴随着国际上衍射极限环概念的提出及相关理论的快速发展，未来加速器具备提供圆电子束流的可能，使插入件性能获得进一步提升的空间。本课题提出的低温准周期DELTA波荡器充分利用圆电子束流的特性，首次将低温、准周期、DELTA特性集中在一台波荡器上，同时具有偏振特性可控、峰值磁场高于常规DELTA波荡器及EPU、有效抑制高次谐波以及结构紧凑高效等优点。拟通过样机的研制，开展该波荡器的设计、技术实现和相关物理问题的研究，着重解决其特殊磁结构参数与光学性能包括偏振态和谐波抑制的关系、巨大载荷下的结构变形、复杂系统集成、封闭、小孔径间隙下磁场测量技术实现、磁场误差对光学特性的综合影响及补偿校正等关键理论及技术，为未来衍射极限环高端用户需求的实现提供有力的技术支撑。

本项目立项的出发点是跟踪国际插入件发展态势，在已经相对成熟的、未来重点发展的低温真空插入件技术的基础上，通过插入件技术的突破，实现对衍射极限环等未来先进光源的水平和垂直发射度都较小的高品质电子束流的利用，向用户提供高品质、易于单色化的、具有偏振可调特性的光源。本课题核心的研究内容为完成一台可应用于液氮温度下的、准周期镨铁硼DELTA波荡器样机，建立满足磁场测量要求的磁测系统，完成样机性能的调试并达到相应的技术指标。通过项目初期物理方案的深入研究，在项目申请初步构想的基础上，提出了DELTA-Knot新型物理设计方案，发表了一篇专业领域中较有影响力的NIMA论文，申请了同行国际专家的专业评审，获得了同行专家的认可，并申请发明专利一项。在此新型物理模型的基础上，项目组经过机械、控制、低温、真空、磁测等专业技术的攻关，完成了工程设计。之后与磁铁、机加工、低温、真空等专业公司联手，解决了多角度磁化偏角异形磁铁的高难度加工、小孔径低温真空强负载机械结构的加工集成、液氮温区工作环境的实现、小孔径真空管道的加工等一系列工程难题，此外自行研发了小间隙、封闭结构磁测系统，在常温及低温两种工作状态下获得了性能数据，与理论预期吻合，完成了研究目标。DELTA-Knot的主要特点是峰值磁场与同等磁间隙的波荡器相比，在线偏振模式下能提高40%，在圆偏振模式下能提高到近2倍，从而可以获得更高的光通量；可以在三种偏振模式下显著降低轴线上的功率热负载，中心锥接受孔径内无高次谐波。经过本项目原理性验证，该项成果迅疾转化到已启动建造的高能同步辐射光源上，为一期软X射线用户线站插入件光源的实现提供了重要的前期理论及工程基础，有效缩短了理论方案研究时间，并将为后续性能优化排序、误差垫补技术及工程实施提供重要研究平台。