变参数波荡器高增益自由电子激光物理研究

High-gain short-wavelength free electron laser(FEL), is becoming a more and more important tool for modern scientific research. Especially, the coherent x-ray source and ultra-short pulse will lead the nature science to an entirely new area. Currently， self amplified spontaneous emissionthe(SASE) and seeded FEL are the two main operation modes of short-wavelength FEL. The latter has a great difficulty to generate radiation in x-ray region, while the former has a poor longitudinal coherence. Therefore, it is significant to improve the longitudinal coherence of high-gain short-wavelength FEL, which is the hotspot and front-line of international FEL research.. Based on the related research done by us and others abroad, parametron umdulator will be applied to improve the longitudinal coherence of short-wavelength SASE FEL. The radiation from many kinds of parametron undulators will be systematically studied and comparatively analyzed. Considering the practical condition, the effect of the system parameters on the FEL bandwidth will be investigated, and the optimal way to enhance the longitudinal coherence of high-gain short-wavelength free FEL will be explored. This work will provide derections to choose and optimize the parameters of FEL program and experiment facility. Then, the generation of ultra-short x-ray pulse trains using parametron undulators will be explored.

高功率短波长自由电子激光（FEL），已成为现代科学研究越来越重要的工具，特别是相干X光源及超短脉冲，将使自然科学的发展进入一个全新的领域。目前，短波长FEL的运行模式主要有自放大自发辐射（SASE）和基于种子激光的谐波放大模式两种，但后者向硬X射线发展还存在很大的困难。而SASE可以达到硬X波段，但是其纵向相干性不佳。因此,改善高增益短波长FEL的纵向相干性(辐射带宽)具有非常重要的实际意义，是国际FEL研究的热点和前沿。.在国外已有相关工作以及我们自己工作基础上，采用变参数波荡器以改善短波长SASE FEL的纵向相干性。对多种不同类型的变参数波荡器的辐射进行系统、深入的研究与对比分析，考虑实际实验条件，分析研究系统参数对辐射带宽的影响，探索改善高增益短波长FEL纵向相干性的最佳方案，为实验方案及装置参数的选择优化提供指导性建议。同时探索利用变参数波荡器产生X射线超短脉冲串。

变参数波荡器在自由电子激光中的应用越来越普遍，主要有纵向锥化波荡器和横向梯度波荡器两大类。纵向锥化波荡器最主要的用途是提高FEL辐射功率和改善SASE辐射带宽，而横向梯度波荡器则主要是用于克服较大电子束能散对FEL的影响，以及用于产生相空间中纵向与横向的耦合。这两类波荡器在当前的国际研究中都非常热门。首先，我们对利用几种不同类型纵向锥化波荡器改善SASE辐射带宽开展了大量数值研究，获得了一系列的结果，这些结果整体上没有申请书中设想的那么理想。我们还发展了一种新型振荡收敛型变参数波荡器形式，数值结果证明能有效减小SASE辐射带宽；其次，围绕提高FEL辐射功率，我们利用电子束纵向相空间物理图像结合解析分析，给出了最佳台阶幅度的解析公式，并通过多组参数进行了数值模拟验证，数值模拟结果与解析公式非常一致。用同样的方法，我们还给出了高增益FEL中最佳初始电子能量失谐的经验公式；第三，围绕变参数波荡器这个主题，我们还做了很多研究工作，如给出了纵向锥化波荡器和横向梯度波荡器磁场特性的一些结论，紧跟国际前沿研究了pSASE的一些特性，设计了一个70-170nm波长可调的自种子FEL，并对在其中采用变参数波荡器进行了研究，等等。