双束团模式在X波段盘荷加速结构中的尾场抑制研究及实现

X-band high gradient acceleration technology is one challenging research with important scientific significance, originally it has be or being developmed for new generation electron linear collider (NLC and CLIC), accelerating gradient should reach 100MV/m at least, in addition wakefield also need to suppressed effectively with specific structure, which could make multi-bunch patten operatable. FEL R&D is being promoted dramatically as a light source technology, and gradually compact facility to be an new direction is required to improve feasibility of construction and operation in lab, which is equivalent to the high gradient target of X-band technology. High beam quality must be controlled in FEL facility, and wakefield effect is an factor resulting in beam instability, so much research should be forced on wakefield principle and suppression. This project forces on two-bunch parten in FEL operation mode, and makes research on Gausian detuned scheme to suppress wakefiled in disk-loaded X-band accelerating structure. The research contents are forced on details on wakefield principle, beam instability effect, Gaussian detuned principle, and these will be proceeded with principle analysis, numerical simulation, wakefiled simulation and measurement with low-power setup and two-bunch operation experiment in SDUV-FEL setup, finally this project will verify the feasibility of Gaussian detuned scheme for wakefield suppression, and in order to realize two-bunch parten operation.

X波段加速技术是一项非常具有挑战性和重要科学意义的前沿研究，起源于新一代电子直线对撞机的发展需求 (NLC, CLIC)，不仅需要实现100MV/m的高加速梯度，更需要有效的尾场抑制结构，保证多束团运行模式的优良束流品质。自由电子激光技术作为加速器光源技术领域新的研究热点之一，对直线加速器装置提出紧凑型要求，这与X波段加速结构的高加速梯度目标一致，同时要求优良的束流品质，保证束流稳定运行。尾场效应的束流不稳定性是影响束流品质的关键因素之一，需要开展深入研究，抑制尾场效应。本项目将针对自由电子激光装置中双束团运行模式，基于常规盘荷结构的X波段加速结构，进行高斯失谐尾场抑制的研究，研究内容包括尾场产生机理、束流不稳定性和高斯失谐尾场抑制方案，研究方法包含理论分析、数值模拟、低功率尾场模拟及测量和双束团束流实验研究，研究目标为验证高斯失谐尾场抑制方案，实现双束团运行模式。

新一代电子直线对撞机定位于TeV量级，如NLC和CLIC，要求加速梯度达到并高于100MV/m，达到大幅度缩小装置规模的目的，增强装置建设的可行性。X波段加速技术是实现装置紧凑化的重要手段，能够提供100MV/m的高加速梯度。随着自由电子激光装置在世界范围内影响力的与日俱增，美国、意大利、澳大利亚、土耳其等都提出了基于X波段高梯度加速技术的紧凑型FEL装置计划。虽然X波段高梯度加速技术在对撞机应用和新兴的紧凑型FEL应用中都表现了极大的优势，但是同时面临了极大的技术挑战，其中尾场抑制与高梯度“打火”抑制成为X 波段高梯度加速技术的两大关键技术和难点。. 本项目针对自由电子激光装置中双束团运行模式，基于常规盘荷结构的X波段加速结构，进行高斯失谐尾场抑制的研究，研究内容包括尾场产生机理和高次模抑制方案，涉及理论分析、电磁场数值模拟及尾场模拟、X波段加速管制造和低功率尾场测量。. 通过本项目的研究，建立了频率和腔体几何结构参数的对应关系，模拟了最低二极场模式呈高斯分布的腔链的尾场，完成了基于高斯失谐的X波段盘荷加速结构的设计和制造。在低功率水平下，利用电子学模拟平台对该结构进行实验研究，尾场在百纳秒范围内实现快速衰减，初步验证了双束团模式运行的可行性。. 本项目的研究成果具有重要的科学意义和社会价值。本项目提出了X波段高梯度加速技术的难点——尾场抑制问题的一种解决方案，采用高斯失谐的盘荷结构实现尾场在时域上的快速衰减，保证加速器双束团运行模式可以提供相互间隔极近且可调的辐射光束团，满足FEL的two color技术，用于pump-probe实验。研究成果推进了X波段高梯度加速技术和尾场抑制研究的发展，解决了如紧凑型能量倍增器和高亮度电子枪等多项关键技术，为紧凑型自由电子激光装置关键技术提供解决方案，提升我国大科学加速器装置的水平，促进X波段加速技术的工业化，实现医用加速器和工业辐照加速器的小型化，为我国国民经济和社会发展作出贡献。