超导直线加速器电子束非线性能散补偿研究

Free electron lasers (FELs), capable of providing high-power ultra-short radiation, have witnessed an impressive development in recent decades. Nowadays, many x-ray FEL facilities exist or are under-construction. However, driven by the normal conducting (copper) linear accelerator (linac), the repetition rates of those facilities are in the range of 1-120Hz, leading to a relatively low average power. In order to further improve the output pulse energy, the high repetition rate, especially CW mode FEL based on superconducting-linac have been recently launched in US and China. However, limited by the relatively low energy of the electron beam in the injector compared with that in the normal conducting copper photoinjector, the high-order terms of the electron longitudinal phase space play an important role in the forthcoming electron beam compression process, suffering from strong space charge effects, leading to a relative low peak current at the exit of the linac (about 1 kA) and degrading the FEL performance distinctly. Here the applicant and his collaborators propose to have a research on the compensation of the nonlinear energy chirp of the electron beam trough the theory and simulation studies based on the Shanghai high repetition rate XFEL and extreme light facility (SHINE). It is hoped that a feasible method could be proposed to enhance the peak current of the electron beam and improve the FEL performance, which may establish foundation of the construction, commission and upgrading for SHINE in the future.

作为“第四代光源”，自由电子激光(FEL)由于能够提供超高亮度、超短脉冲在国际和国内都受到了广泛的关注和大力支持，目前基于常温直线加速器的自由电子激光装置在国际上取得了巨大的成功。为了进一步提高自由电子激光装置的输出功率，基于超导直线加速器的自由电子激光装置目前成为研究的热点和前沿。为了提供连续波的电子束，注入器中电子束的能量比较低，空间电荷力比较大，导致电子束的非线性能散相较常温装置的电子束很大，使得最终电子束的峰值流强较低，严重影响了下游自由电子激光的辐射性能。本项目结合国内外常温和超导直线加速器的研究前沿，通过理论分析和模拟研究，以上海超导硬X射线自由电子激光装置为平台(SHINE)，对电子束非线性能散的补偿进行全面和深入的探索研究，旨在保证电子束品质的前提下提升电子束的峰值流强和FEL的性能，为未来装置的建设、调试和升级奠定基础。

基于超导直线加速器的自由电子激光装置由于能够提供超高亮度、超短脉冲、超高重复频率的辐射在国际和国内受到了广泛的关注和大力支持。但为了提供连续波电子束，注入器中电子束的能量较低，空间电荷力较大，导致了电子束的非线性能散相较常温装置的电子束很大，使得最终电子束的峰值流强较低，严重影响了下游自由电子激光的辐射性能。.本项目结合国内外常温和超导直线加速器的研究前沿，通过理论分析和模拟研究，以上海超导硬X射线自由电子激光装置为平台，对电子束的非线性能散的产生和补偿进行了全面和深入的探索研究。本项目对比了不同驱动激光长度、不同压缩条件下束流的相空间演化，研究结果表明，采用更长的驱动激光长度与更小的激光光斑，虽然可以获得更好的束流发射度，但束流的高阶非线性能散会显著增加，导致束流纵向相空间畸变。通过优化驱动激光和束流的参数，可以将束流的非线性能散从5keV抑制到约2keV。.在项目的支持下，对褶皱结构的尾场进行了深入的研究，并验证了采用褶皱结构补偿电子束非线性能散的可能性。研究结果表明，褶皱结构的尾场波长与非线性能散尺度相当，方向相反，因此可以用于补偿非线性能散。但考虑到超导直线加速器重频较高，通孔较大，但褶皱结构的间隙较小，因此工程使用有一定的风险。本项目还基于上海软X射线自由电子激光装置对一台2m长的平板型褶皱结构的横向和纵向尾场进行了研究，研究结果表明，当褶皱结构的间隙压缩到3mm时，纵向尾场导致束流的能量损失约5MeV，与理论结果相符。同时随着褶皱结构间隙的减小，横向四极尾场会导致显著的头尾失配，与理论预期相符。.此外在项目的支持下，还探索了包括双频聚束器和驱动激光整形等补偿非线性能散的方法，这些方法均有较高的可行性。.通过本项目的理论和实验研究，对超导直线加速器非线性能散的产生和补偿有了更深刻的认识，为SHINE装置的优化提供了依据和基础。