【基金標(biāo)書】2011CB808300-新概念、高效率X射線自由電子激光（FEL）物理與關(guān)鍵技術(shù)研究

項(xiàng)目名稱： 新概念、高效率 X 射線自由電子激光（FEL）物理與關(guān)鍵技術(shù)研究首席科學(xué)家： 趙振堂 中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所起止年限： 2011.1 至 2015.8依托部門： 中國科學(xué)院二、預(yù)期目標(biāo)對(duì)全相干、高效率的 X 射 線 FEL 的各種新概念和技術(shù)途徑進(jìn)行深入的探索研究，跟上國際 FEL 領(lǐng)域 發(fā)展的最前沿，力爭取得具有原 創(chuàng)性的成果，形成有特色的、先進(jìn)的 X 射線 FEL 方案， 為發(fā)展超快、高亮度、高效率、完全相干的第四代光源作出貢獻(xiàn)；從理論與實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面掌握全相干、高效率 FEL 的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，如 ERL、外種子諧波型 FEL（級(jí)聯(lián) HGHG、EEHG 等）、超低發(fā)射度的高亮度注入器等，為 我國未來建造先進(jìn) 的 X 射線 FEL 奠定技術(shù)和人才基礎(chǔ)。五年中，本項(xiàng)目將達(dá)到以下預(yù)期目標(biāo)：(1) 提出和研究 XFEL 的新概念和關(guān)鍵物理問題，完成級(jí)聯(lián)HGHG、EEHG、XFELO 及 ERL 技術(shù)應(yīng)用于 X 射線 FEL 的理論及可行性研究，在此基礎(chǔ)上給出實(shí)現(xiàn)全相干、高效率、高性價(jià)比、先進(jìn)的 X 射線 FEL 的優(yōu)化方案；(2) 在深紫外自由 電子激光裝置上實(shí)現(xiàn)兩級(jí)級(jí)聯(lián) HGHG 的原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，并開展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，全面掌握級(jí)聯(lián) HGHG 自由電子激光的輻射特性；(3) 在深紫外自由 電子激光裝置上實(shí)現(xiàn)基于 EHGHG 以及 EEHG 的自由電子激光運(yùn)行模式的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，并開展深入的實(shí)驗(yàn)研究；(4) 在對(duì)光陰極材料、光陰極注入器結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，研制能夠滿足 XFEL 低發(fā)射度要求, 發(fā)射度小于 1um,具有創(chuàng) 新結(jié)構(gòu)的光陰極注入器；（5）研制出滿足 ERL 高平均流強(qiáng)要求的射頻超導(dǎo)腔，Q 值不小于 2x1010，對(duì)強(qiáng)流下高階模的影響進(jìn)行分析并找到吸收 HOM 功率的有效途徑，設(shè)計(jì)并研制出適用于 ERL 的超導(dǎo)加速單元；（6）集成 ERL 實(shí)驗(yàn)裝置，開展各種相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，全面掌握 ERL 技術(shù)，為基于 ERL 的 XFEL 打下良好的基礎(chǔ)；（7） 通過實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，培養(yǎng)出 5-6 名 FEL 及 ERL 領(lǐng)域的青年學(xué)術(shù)帶頭人，培養(yǎng) 20 名以上博士研究生。三、研究方案本項(xiàng)目的研究內(nèi)容包括了理論探索研究、綜合實(shí)驗(yàn)研究和關(guān)鍵部件研制等三個(gè)方面，理論探索研究主要以模擬計(jì)算為基礎(chǔ)，全面分析各種 FEL 新機(jī)制的可行性并提出最優(yōu)方案；綜合實(shí)驗(yàn)研究的開展則需根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)建設(shè)完善實(shí)驗(yàn)裝置，制定詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃；關(guān)鍵部件研制則首先提出方案設(shè)想，然后在理論分析、模擬計(jì)算基礎(chǔ)上完成設(shè)計(jì)方案，之后研制成樣機(jī)并開展試驗(yàn)研究，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果再對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行完善。1理論探索研究全相干、高效率的 X 射線 FEL 是國際上 FEL 研究的重要研究方向和 熱點(diǎn)。本項(xiàng)目將從理論上對(duì)全相干、高效率的 X 射線 FEL 的各種新概念和技術(shù)途徑進(jìn)行深入的探索研究；在已有的理論及實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，建立完整的理論分析模型和適用于外種子諧波型 FEL 及 FELO 的、高效的數(shù)值模擬程序包。本項(xiàng)目的最大特色是理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。通過本項(xiàng)目的外種子諧波型FEL（級(jí)聯(lián) HGHG、EEHG）實(shí)驗(yàn)和 ERL-FEL 振蕩器實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證理論模型和數(shù)值模擬程序的可靠性，并對(duì)其進(jìn) 行完善。在此基 礎(chǔ)上，進(jìn) 一步探索提高 X 射線 FEL 品質(zhì)、降低 X 射 線 FEL 裝置 規(guī)模的有效途徑；利用理論模型和數(shù)值模擬程序，對(duì) X射線 FEL 新概念和新技術(shù)途徑中的關(guān)鍵物理問題進(jìn) 行分析。基于建成的實(shí)驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì) 相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)理論分析和數(shù)值模擬結(jié) 果進(jìn)行驗(yàn)證，更好地完善理論模型和數(shù)值模擬程序，從而 為 FEL（特別是外種子 諧波型 FEL 及 FELO）的研究提供通用、可靠的工具，為未來建造硬 X 射線 FEL 裝置提供完善的理論支持與保障。獲得全相干、高效率的 X 射線 FEL 是目前整個(gè) FEL 研究領(lǐng)域瞄準(zhǔn)的一個(gè)重要目標(biāo)。 雖然目前提出了一系列新概念和新途徑，如級(jí)聯(lián)HGHG、EEHG、XFELO 以及基于 ERL 技術(shù)的 XFEL 等，但要實(shí)施還需開展大量深入細(xì)致的基礎(chǔ)性研究工作。而且隨著加速器技術(shù)、波蕩器技術(shù)等的突破，必將會(huì)為建造全相干、高效率的 X 射線 FEL 提供新的契機(jī)。因此開展新概念、高效率 XFEL 的基礎(chǔ)研究，是一項(xiàng)開創(chuàng)性的工作。2綜合實(shí)驗(yàn)研究1）超高次諧波自由電子激光的關(guān)鍵技術(shù)與原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)在上海深紫外自由電子激光（SDUV-FEL） 原有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上做必要修改，主要包括增加一級(jí)激光注入、一 級(jí)調(diào)制段波蕩器以及一級(jí)色散段，改進(jìn)后的兩級(jí)調(diào)制段與色散段布局如圖 7 所示（主要參數(shù)見表 5），就可以進(jìn)行諸多基于雙調(diào)制段的超高次諧波自由電子激光工作模式的關(guān)鍵技術(shù)研究與原理性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)研究。圖 7 SDUV-FEL EEHG 實(shí)驗(yàn)布局示意圖表 5 SDUV-FEL EEHG 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)參數(shù)表種子激光參數(shù) 波長 s=1047nm， 功率 P= 030MW, 脈沖長度 s=8ps電子束參數(shù) 能量 160MeV，發(fā)射度 6.0 mmmrad，能散 0.01%參數(shù) 第一級(jí) 第二級(jí)周期 長 度 u (cm） 6.5 5調(diào)制段波蕩器參數(shù)周期 Nu 10 10色散段參數(shù) R56 070mm 010mm周期 u (cm） 2.5周期數(shù) 360（6 段，每段 1.5m）輻射段波蕩器參數(shù) K 1.45FEL 參數(shù) 飽 和功率 P (MW) 100MW注：種子激光 2 參數(shù)與種子激光 1 的參數(shù)一致圖 8（a） 給出了 SDUV-FEL 在 EEHG 工作模式下，輻射段波蕩器中的功率增長情況，由于 EEHG 很強(qiáng)的密度調(diào)制和較小的能散引入，262 nm 輻射在 5m處就達(dá)到飽和，飽和功率為 100MW，飽和時(shí)的頻譜 分布如圖 8（b）所示， 輸出的輻射達(dá)到縱向全相干，為 Fourier Transform Limited 光脈沖。圖 8 SDUV-FEL EEHG 原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)功率增長（a）與飽和處光譜（b）可以看到，在上海深紫外自由電子激光裝置上， 經(jīng)過這些簡單的硬件改進(jìn)就能開展基于雙調(diào)制段波蕩器的超高次諧波自由電子激光的關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究，目前已經(jīng)具備了這方面的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。?jù)我們所知，目前 SLAC 正在積極部署基于 EEHG 的超高次諧波自由電子激光的原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，但是，SLAC 的方案中輻射段波蕩器很短，不能達(dá)到飽和輸出，而上海深紫外自由電 子激光裝置擁有 9m 長 高性能輻射段波蕩器的突出優(yōu)勢，因而基于上海深紫外自由電子激光裝置的方案將有望成為世界首個(gè)超高次諧波自由電子激光的實(shí)驗(yàn)，并能達(dá)到飽和輸出， 這將 對(duì)我國高增益全相干自由電子激光的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。盡管 EEHG 運(yùn)行模式具有很高的諧波轉(zhuǎn)換效率，但是受限于傳統(tǒng)激光的波長，很難 通過一級(jí) EEHG 得到全相干硬 X 射線自由 電子輸出，因此我們結(jié)合級(jí)聯(lián) HGHG 的新鮮束技術(shù)（Fresh bunch）以及 EEHG 原理，提出了級(jí)聯(lián)EEHG（EESHG）的運(yùn)行模式，可以產(chǎn)生超高次的諧 波輻射，其原理如圖 9 所示。圖 9 EESHG 原理示意圖EESHG 由兩級(jí) EEHG 構(gòu)成，中間輔以移相器，其中第一級(jí)為 EEHG 模式，第二級(jí)類似于傳統(tǒng)的 HGHG，但本質(zhì)上與第一級(jí)構(gòu)成 EEHG 模式。圖 10 EESHG 縱向相空間演化EESHG 中縱向相空間的演化如圖 10 所示，其中第一級(jí)的第一個(gè)調(diào)制段和色散段將整個(gè)束流轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂卸鄠€(gè)能帶精細(xì)結(jié)構(gòu)分布（圖 10（a）所示），第一 級(jí)的第二個(gè)調(diào)制段和色散段只對(duì)電子束的尾部進(jìn)行能量調(diào)制（圖 10（b）和密度調(diào)制（圖 10（c），而后產(chǎn)生密度調(diào)制的尾部電子束進(jìn)入第一 級(jí)的輻射段將產(chǎn)生相干輻射，為了減小對(duì)已調(diào)制好的束流頭部的影響，此 輻射段的長度選取將只使輻射段運(yùn)行在相干輻射階段，這里 產(chǎn)生的相干輻射將作為第二級(jí)能量調(diào)制的種子激光對(duì)束流頭部產(chǎn)生調(diào)制，之后 經(jīng)過第二級(jí)的色散段對(duì)束流頭部進(jìn)行密度調(diào)制，將產(chǎn)生第一級(jí)輻射段輻射波長的高次諧波，因而相對(duì)于第一級(jí)種子激光的波長，諧波轉(zhuǎn)換效率將大大提高。如果這個(gè)方案能夠得到實(shí)驗(yàn)上的驗(yàn)證，將為未來全相干硬 X 射線自由電子激光提供一條全新的技術(shù)途徑。2）級(jí)聯(lián)高增益自由電子激光的關(guān)鍵技術(shù)與原理性實(shí)驗(yàn)研究(a) (b) (c)p p pz z zSDUV FEL 是一臺(tái)開展 HGHG 研究的專用試驗(yàn)裝置。它由一臺(tái) 160MeV 高性能電子直線加速器、單級(jí) 262nm HGHG（包括調(diào)制段、色散段和輻射段）以及紫外 FEL診斷系統(tǒng)組成。在 SDUV FEL 的 262nm HGHG 基礎(chǔ)上，新設(shè)計(jì)研制小間隙短周期的第二級(jí)HGHG輻射波蕩器產(chǎn)生 131nm FEL，并 設(shè)計(jì) 100fs級(jí) 種子激光系統(tǒng)（含高精度同步定時(shí)）和束團(tuán)延遲線實(shí)現(xiàn)束團(tuán)刷新，從而可建成國際上第一個(gè)兩級(jí)級(jí)聯(lián) HGHG試驗(yàn)裝置，率先開展級(jí)聯(lián) HGHG 出光實(shí)驗(yàn)研究?；?SDUV FEL 的兩級(jí)級(jí)聯(lián) HGHG 方案原理示意如圖 11，主要參數(shù)見表 6。直線加速器786nm種子激光第一級(jí)HGHG 第二級(jí)HGHG262nm 131nm電子槍直線加速器電子槍圖 11 SDUV-FEL 的整體方案原理示意圖（方框內(nèi)為增加的第二級(jí) HGHG 部分）理論和數(shù)值計(jì)算表明，在 25MW 種子激光的作用下，160MeV 電子束在第一級(jí)HGHG 中， 經(jīng)過兩段 1.5m長 的輻射段波蕩器， 產(chǎn)生 90MW 左右的 262nm輻射，作 為第二級(jí)的種子激光，而在第二 級(jí) HGHG 中， 經(jīng)過 3 段 2m長的輻射段波蕩器，被刷新的電子束團(tuán)產(chǎn)生 40MW 左右的 131nm輻射。表 6. 基于 SDUV-FEL 的兩級(jí)級(jí)聯(lián) HGHG 裝置的主要參數(shù)種子激光 波長 s=786 nm， 功率 P= 050MW, 脈沖長度 s=30100 fs電子束參數(shù) 能量 160MeV，峰 值電流 300A，發(fā)射度 6.0 mmmrad，能散 0.01%參數(shù) 第一級(jí) 第二級(jí)波蕩器參數(shù) 周期 u (cm） 5 2.5 2.5 1.8間隙 g (mm) 1234 10 10 7.8色散段參數(shù) d/d 0.5 0.75波長 (nm) 786 262 262 131增益長度 Lg(m) 0.60 0.63 0.63 0.86FEL 參數(shù)飽和功率 P (MW) 100 40X 射線 SASE FEL 已經(jīng)在實(shí)驗(yàn) 上獲得成功，而基于種子激光的級(jí)聯(lián) X 射線 FEL是目前國際上的研究重點(diǎn)和發(fā)展方向。因此，在我國高增益短波長 FEL 現(xiàn)有基礎(chǔ)上，從關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)集成和整機(jī)集成多層面上掌握兩 級(jí)級(jí)聯(lián) HGHG 的多項(xiàng)重大核心技術(shù)，建設(shè)兩級(jí)級(jí)聯(lián) HGHG，更具有意 義、也更加具有緊迫性?；?SDUV FEL的兩級(jí)級(jí)聯(lián) HGHG 裝置建成之后，將在國際上率先 評(píng)估硬 X 射線 FEL 中采用級(jí)聯(lián) FEL 工作模式以實(shí)現(xiàn)全相干 XFEL 的可行性， 為國 際上未來 X 射線 FEL 技術(shù)路線的選擇提供科學(xué)依據(jù)，將 為 FEL 領(lǐng)域做出重要貢獻(xiàn)，使我國在該領(lǐng)域占有一席之地?；?SDUV FEL 的兩級(jí)級(jí)聯(lián) HGHG 在技術(shù)上是可行的。第二級(jí) HGHG 所需波蕩器和束流測量等設(shè)備的設(shè)計(jì)制造已經(jīng)十分成熟，風(fēng)險(xiǎn)性小。對(duì)于定時(shí)與同步系統(tǒng)，最近國際上的進(jìn)展很快，多個(gè)研究組此類系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)已超過我們實(shí)驗(yàn)的要求，完全可以滿足本實(shí)驗(yàn)的需要。3）ERL 關(guān)鍵技術(shù)與原理性實(shí)驗(yàn)研究要真正掌握 ERL 技術(shù)，必須開展全面系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。為此我們將首先集成一個(gè) ERL 實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置包括注入器、并束段（ Merger）、主加速器、返航束 線、波蕩器、光腔鏡和垃圾靶等。 圖 12為 ERL實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，表 7 為主要參數(shù)。我們選擇注入器能量為 5MeV,電子束能量為 35 MeV, 既能保證開展在主要研究內(nèi)容中所述各種 ERL實(shí)驗(yàn)，又使整個(gè)裝置的規(guī)模不致太大。 實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)則從研究能量回收機(jī)制入手，即在沒有自由電子激光的條件下，如何實(shí)現(xiàn)高效率的能量回收。之后研究 ERL FEL 的各種物理與關(guān)鍵 技術(shù)，同時(shí)也可根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也可對(duì) ERL 裝置進(jìn)行完善并束段（Merger）的性能和改進(jìn)途徑。我們對(duì) ERL 技術(shù)已有較長時(shí)間的關(guān)注和研究，參考國際上的經(jīng)驗(yàn)和我們的需求確定了北大 ERL 系統(tǒng)的主要并進(jìn)行了束流光學(xué)初步設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)。初期樣機(jī)的注入器將采用現(xiàn)有的 DC-SC 光陰極注入器，超 導(dǎo)加速器運(yùn)行所需的 2K 低溫系統(tǒng)已經(jīng)建成，ERL 實(shí)驗(yàn)室也已建成，因此研究方案是完全可行的。這將是我國第一個(gè) ERL 實(shí)驗(yàn)裝置并在我國首次實(shí)現(xiàn) ERL 技術(shù)。圖 12 PKU-ERL 實(shí)驗(yàn)裝置表 7 PKU-ERL 主要參數(shù)Inject Energy 5 MeVMaximum Energy 30 MeVBunch Frequency 26 MHzBunch Charge 60 pCBunch length at Entrance of Undulator 1 psMacro Pulse Length 2 msRep. Frequency of Macro Pulse 10 HzEnergy Spread (rms) 0.24%Transverse Emittance 3mLength of Undulator 1.5 mu of Undulator 3 cmK of Undulator 0.5-1.4Optical Cavity Length 11.52 mWavelength of FEL 4.7-8.3m3關(guān)鍵部件研制1）低發(fā)射度、高平均流強(qiáng)超導(dǎo)型光陰極注入器低發(fā)射度、高平均流強(qiáng)超導(dǎo)型光陰極注入器是基于 ERL 的 X 射線 FEL 的關(guān)鍵部件。我們將從模擬計(jì)算、激光器改造、光陰極材料和實(shí)驗(yàn)研究等幾方面開展研究。通過理論分析與模擬計(jì) 算的方法，從束流 動(dòng)力學(xué)匹配、微波性能、機(jī)械性能、射頻 超導(dǎo)性能、結(jié)構(gòu)熱分析等方面考慮，完成低發(fā)射度、高平均流強(qiáng)超導(dǎo)注入器核心結(jié)構(gòu)（電子槍結(jié)構(gòu)和變速超導(dǎo)腔）的物理設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)商用激光器的改造主要為設(shè)計(jì)光路對(duì)激光脈沖進(jìn)行整形并控制光斑，以獲得有利于降低發(fā)射度的束團(tuán)橫向分布、縱 向分布和光斑大?。煌瑫r(shí)還要研制放大器以獲得高電荷量電子束團(tuán)所需要的激光脈沖能量。 我們還將對(duì)金屬摻雜、半導(dǎo)體摻雜等陰極材料的性能進(jìn)行研究，制 備可以獲得低發(fā)射度、高流強(qiáng)電子束的光陰極。根據(jù)注入器能量特點(diǎn)將建立一套完備的滿足在線需要、工作穩(wěn)定可靠的束流品質(zhì)測量方法，對(duì)注入器的主要束流參數(shù)：流強(qiáng)、能散、發(fā) 射度、束團(tuán)電荷、脈寬、束斑等進(jìn)行測量。北京大學(xué)已有的 2K 低溫系統(tǒng)和 1.3GHz 微波功率源，可以為注入器的實(shí)驗(yàn)提供條件，在光陰極注入器方面積累了比較豐富的經(jīng)驗(yàn)。通過研究完全有可能設(shè)計(jì)出具有創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)型光陰極注入器，并最終獲得強(qiáng)流、低發(fā)射度的高品質(zhì)電子束流。2) 低發(fā) 射度、高峰值流強(qiáng)常溫光陰極微波電子槍低發(fā)射度、高峰值流強(qiáng)常溫光陰極注入器是高增益緊湊高效自由電子激光裝置的核心設(shè)備。我們將在已 經(jīng)研制成功 1.6 單元 BNL 型光陰極微波電子槍的基礎(chǔ)上，參考 LCLS 光陰極電 子槍的設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，通過功率對(duì)稱饋送和跑道式腔型降低二極模和四極模的影響；增大電子槍不同結(jié)構(gòu)單元的耦合孔，提高模式間隔，降低非工作模式 0 模對(duì)發(fā)射度的貢獻(xiàn)，改善表面場分布；改變波導(dǎo)與電子槍的耦合，抑制熱效應(yīng)的影響。同時(shí)進(jìn)一步改進(jìn)和探索在 BNL 型電子槍研制中已初步掌握的水基清洗和金銅焊料焊接的工藝，探索和掌握高梯度加速結(jié)構(gòu)的加工和測試工藝。通過這些結(jié)構(gòu)改進(jìn)和工藝探索，研制完成低發(fā)射度、高峰 值流強(qiáng)光陰極微波電子槍。微波與驅(qū)動(dòng)激光脈沖的精確同步分為兩部分解決：首先通過高次諧波混頻鑒相實(shí)現(xiàn)激光脈沖與參考微波源的相位同步，采用快速光電二極管對(duì)光信號(hào)進(jìn)行采樣，經(jīng)過濾波得到激光的某個(gè)高次諧波，再將 該信號(hào)與參考微波源進(jìn)行鑒相，得到相差電平，根據(jù)相差電 平通過反饋回路控制激光光腔的壓控振蕩器，實(shí)現(xiàn)鎖相；然后研制高精度的數(shù)字低電平控制系統(tǒng)，保證微波源與電子槍中微波場的幅值和相位抖動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng) 激光與微波場相位的同步。光陰極電子槍的驅(qū)動(dòng)激光采用鈦寶石激光系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)激光的縱向整型將考慮兩類方法：利用鈦寶石激光系統(tǒng)的寬頻譜特性，采用頻域整型技術(shù)，如聲光可編程色散濾波器(Acousto-Optic Programmable Dispersive Filter)方法；或者利用鈦寶石激光系統(tǒng)的短脈沖特性，采用時(shí)域脈沖堆積方法。驅(qū)動(dòng)激光的橫向空間整型，計(jì)劃采用依賴于位置的衰減或者采用由低損的非球面鏡對(duì)組成的折射光路來實(shí)現(xiàn)。清華大學(xué)在研制 1.6 單元 BNL 型的光陰極微波電子槍過程中，搭建了 電子槍束流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，基本具備了開展低發(fā)射度、高峰 值流 強(qiáng)常溫光陰極注入器的功率源、激光、束測 、真空、冷卻等硬件條件，同 時(shí)已經(jīng)開展了激光整形、同步控制等研究，初步驗(yàn)證了上述技術(shù) 路線的可行性， 積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。因此，采用上述技術(shù)路線， 經(jīng)過本項(xiàng)目的研究，為高增益高效自由電 子激光裝置提供低發(fā)射度、高峰值流強(qiáng)的高品質(zhì)電子束是可行性的。3）高平均流強(qiáng)超導(dǎo)加速單元強(qiáng)流超導(dǎo)加速器是 ERL 的另一關(guān)鍵部件，它需要綜合考慮液氦消耗、強(qiáng)流電子束產(chǎn)生的高階模場的有效吸收等因素，以實(shí)現(xiàn)最佳性價(jià)比。我們將通過理論分析與計(jì)算，確定用于 ERL 的強(qiáng)流超導(dǎo)加速器的最佳運(yùn)行溫度范圍、最佳運(yùn)行加速梯度范圍和合適的每只腔單元數(shù)，并確定超導(dǎo)加速器總體運(yùn)行參數(shù)。另一個(gè)研究重點(diǎn)是高 Q 超導(dǎo)腔設(shè)計(jì)研制和設(shè)計(jì)、研制大功率高階模耦合器及吸收體，達(dá)到有效吸收高階模的目的。強(qiáng)流超導(dǎo)加速單元的研究重點(diǎn)則是超流氦兩相管道優(yōu)化、頻率調(diào)諧裝置（快調(diào)諧和慢調(diào)諧）、熱輻射屏的 設(shè)計(jì)分析、磁屏蔽的 設(shè)計(jì) 考慮等。與非 強(qiáng)流超導(dǎo)腔相比，強(qiáng)流超 導(dǎo)腔對(duì)磁屏蔽的要求更高，cryomodule 設(shè)計(jì)需要考慮適用于室溫和2K 溫度的兩種磁屏蔽。通 過優(yōu)化設(shè)計(jì)超流氦兩相管道、熱輻射屏及選取合適的屏材料，保證強(qiáng)流超導(dǎo) 腔的低溫運(yùn)行，并降低恒溫器的靜態(tài)熱損，減小液氦系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。北京大學(xué)曾設(shè)計(jì) 和研制了具有杠桿結(jié)構(gòu)的 TESLA 型超導(dǎo)腔低溫在線調(diào)諧器，本項(xiàng)目將在此基 礎(chǔ)上， 優(yōu)化設(shè)計(jì)用于強(qiáng)流超 導(dǎo)腔的低溫在線調(diào)諧結(jié)構(gòu)，達(dá)到 10Hz 調(diào)諧 精度和±200kHz 調(diào)諧范圍的要求，并對(duì)其進(jìn)行低溫測試。北京大學(xué)已自行設(shè)計(jì)和研制了多種不同結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)腔，并研制成 TESLA 型9-cell 腔超 導(dǎo)加速單元，而且與美國 ANL 在強(qiáng)流超 導(dǎo)腔方面也開展了初步的合作研究，這些均為用于 ERL 的強(qiáng)流超導(dǎo)腔的研究提供了基礎(chǔ)和條件，設(shè)計(jì)和研制具有高品質(zhì)因數(shù)的強(qiáng)流超導(dǎo)腔的方案是可行的。通過理論分析、模擬計(jì)算、工藝加工與部件性能測試與調(diào)整，我們將完成用于 ERL 的強(qiáng)流超導(dǎo)加速器的研制，為國際上 ERL 技術(shù)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。4) 飛秒 級(jí)精確同步系統(tǒng)為保證新概念自由電子激光原理性實(shí)驗(yàn)（包括 EEHG 和級(jí)聯(lián) HGHG）的進(jìn)行，我們將研制成一套緊湊而完整的、同時(shí)面向多種不同系統(tǒng)的（激光，高頻，束 測，束流等）、可長期穩(wěn)定運(yùn)行的高性能飛秒級(jí)定時(shí)和同步系統(tǒng)，從主定時(shí)到激光、微波、束測等分系統(tǒng)的點(diǎn)到點(diǎn)信號(hào)穩(wěn)定度達(dá)到 10 飛秒的先進(jìn)水平， 并在已經(jīng)建成的上海深紫外自由電子激光裝置上投入使用，同時(shí)精確控制激光、微波、束 測等系統(tǒng)，產(chǎn)生高度同步的電子-激光束流，做出自由 電 子激光和束流物理方面國際一流的，有開創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)研究。系統(tǒng)由光學(xué)主振蕩器，光纖發(fā)布系統(tǒng)（鏈接激光系統(tǒng)，高頻系統(tǒng)，束 測系統(tǒng)等）以及各接口系統(tǒng)組成，實(shí)現(xiàn) 極高水平的精確同步和控制。為滿足飛秒級(jí)定時(shí)與同步的需求，需要一臺(tái)高性能的光學(xué)主振蕩器并與參考微波晶振進(jìn)行鎖相。為便于 實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸與分布，選擇波長 1550nm 的摻鉺光纖激光器作為光學(xué)主振蕩器。使用基于平衡互相關(guān)方法的穩(wěn)相光纖分布系統(tǒng)，將主振蕩器產(chǎn)生的光脈沖序列傳輸?shù)礁鱾€(gè)需要的設(shè)備。同樣采用基于平衡互相關(guān)的方法檢測傳輸信號(hào)與反射信號(hào)的相位差，通過慢反饋控制光學(xué)延時(shí)器件的延時(shí)以補(bǔ)償系統(tǒng)慢漂，同時(shí) 通過較快的反饋控制壓電陶瓷控制光纖的長度，實(shí)現(xiàn)長期<10fs 的穩(wěn)定度。最后使用基于光學(xué)微波相位 檢測器的光脈沖高頻轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn) 參考信號(hào)的本地恢復(fù)。5) 小周期波 蕩器X 射線自由電子激光一般需要長度為幾十米至上百米的小周期波 蕩器，并對(duì)場強(qiáng)和精度有很高的要求。近年來，這方面的新技 術(shù)不斷涌現(xiàn)，有望大大 縮短X 射線自由電子激光的規(guī)模。真空內(nèi)波 蕩器是目前被廣泛采用的自由電子激光輻射段的先進(jìn)磁鐵技術(shù)，其波 蕩器周期長度可以短至 1 到 2 厘米之間，磁場強(qiáng)度也可以滿足大部分的需要。低溫波蕩器是另一種很有前途的技術(shù)，由于自旋取向相變（Spin Reorientation Transition ）效應(yīng)，永久磁鐵在一定低溫下的磁場特性會(huì)明顯有異于常溫的時(shí)候，利用這一性質(zhì)，可以 設(shè)計(jì)制造在普通低溫環(huán)境（如 100-150K）中工作的超小周期真空內(nèi)強(qiáng)場波蕩器。我們計(jì)劃研制通用型的真空內(nèi)波蕩器，周期長度為 1.5-2.0cm，最高工作場強(qiáng)在 1 特斯拉左右。同時(shí)積極開展低溫波蕩器的設(shè)計(jì)探討。小周期波蕩器的研制成功不僅是本項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)計(jì)劃成功的有力保障，也有希望明顯縮短未來 X 射線自由電子激光裝置的長度，還可以使中小型自由電子激光裝置更加緊湊，從而應(yīng)用于更廣泛的領(lǐng)域。四、年度計(jì)劃年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo)第一年理論： EEHG 和級(jí)聯(lián) HGHG 的理論研究； 技術(shù)： 超導(dǎo)光陰極注入器和常溫電子槍的模擬計(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 進(jìn)行超導(dǎo)加速器運(yùn)行溫度、加速梯度、每只腔的單元（cell）數(shù)進(jìn)行綜合比較研究； 實(shí)驗(yàn)： 基于 SDUV 的 EEHG和 Cascade High Gain Harmonic Generation-方案設(shè)計(jì)；完成 ERL 注入器出束并達(dá)到引出電子束能量為 3-5MeV, 束流發(fā)射度約為 3mmmrad、電子束平均流強(qiáng)為毫安量級(jí)；完成初步 EEHG 和級(jí)聯(lián) HGHG模擬計(jì)算，磁聚焦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，第一級(jí)調(diào)制段硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造；完成 調(diào) 制段的激光-電子束流相互作用實(shí)驗(yàn)；年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo)第二年理論： 繼續(xù) Cascade High Gain Harmonic Generation 的理論研究；開始基于 ERL 的 XFELO 原理研究技術(shù)：進(jìn)行超導(dǎo)電子槍激光功率放大技術(shù)關(guān)鍵部件的研制。進(jìn)行強(qiáng)流超導(dǎo)腔試驗(yàn)腔的初步研制。實(shí)驗(yàn)：SDUVEEHG 和級(jí)聯(lián)HGHG-硬件安裝和 實(shí)驗(yàn)；完成 ERL 主加速器的研制和與注入器的束流聯(lián)調(diào)；完成束流環(huán)路的安裝并進(jìn)行初步調(diào)試。完成 SDUV 第一級(jí)輻射段硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造；完成第一級(jí)輻射段出光實(shí)驗(yàn)；進(jìn)行第二級(jí)調(diào)制段激光-束流相互作用實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)所有調(diào)制段的能量和密度調(diào)制；第三年理論： Cascade HGHG 的噪聲理論研究；ERL 的物理研究技術(shù)：加工制造常溫光陰極電子槍；開展激光整形技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究；研制激光與微波的亞皮秒同步控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)：SDUV 進(jìn)行 EEHG 和級(jí)聯(lián) HGHG-實(shí)驗(yàn) ；完成超導(dǎo)注入器和常溫電子槍整機(jī)制造；激光與微波的亞皮秒同步控制系統(tǒng)調(diào)試完成；實(shí)現(xiàn)對(duì)于皮秒束流的兩段同時(shí)激光-電子束流相互作用（同步的調(diào)制）實(shí)驗(yàn)?zāi)甓?研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo)第四年理論： 超高次 EEHG 的理論研究；ERL 加速器的物理研究技術(shù)：加工制造常溫光陰極電子槍；開展激光整形技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究；研制激光與微波的亞皮秒同步控制系統(tǒng)。進(jìn)行波蕩器和光腔端鏡等的性能測試。實(shí)驗(yàn)：SDUV 進(jìn)行 EEHG 的高次 諧波探索實(shí)驗(yàn)以及 Cascade High Gain Harmonic Generation 級(jí)聯(lián)原理性實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)流超導(dǎo)加速單元載束運(yùn)行；性能指標(biāo)基本達(dá)到要求。 完成 ERL 環(huán)路調(diào)試，實(shí)現(xiàn)電子束的能量回收，完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究內(nèi)容。實(shí)現(xiàn)高次諧波（大于 6 次）Echo-enabled Harmonic Generation 的物理實(shí)驗(yàn)初步完成 786nm 到 393nm 再到 196nm 的 SDUV Cascade High Gain Harmonic Generation級(jí)聯(lián)原理性實(shí)驗(yàn)第五年理論：全面總結(jié)基于 ERL 的全相干 X 射線自由電子激光的物理。技術(shù)：開展超導(dǎo)注入器與常溫電子槍的調(diào)試和實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行改進(jìn)。進(jìn)行強(qiáng)流超導(dǎo)加速單元組裝及靜態(tài)和載束調(diào)試； 實(shí)驗(yàn)：繼續(xù)開展超導(dǎo)注入器與超導(dǎo)注入器性能達(dá)到要求，可引出發(fā)射度不大于 1mm mmrad，平均流 強(qiáng) mA 量級(jí)的電子束；常溫電子槍可引出發(fā)射度不大于 1mm mrad，峰值流強(qiáng)在百安培量級(jí)的電子束全面掌握 ERL 技術(shù) ，為基于 ERL 技術(shù)的高效率 XFEL 奠定技術(shù)基礎(chǔ)年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo)常溫電子腔的和實(shí)驗(yàn)研究，將波蕩器和光腔鏡安裝到 ERL束流環(huán)路中，開展 FEL 實(shí)驗(yàn)；研究 FEL 出光對(duì)電子束能散度和發(fā)射度的影響及其對(duì)能量回收的影響；通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)束流返航段的設(shè)計(jì)，探索進(jìn)一步改進(jìn)的途徑。SDUV Cascade High Gain Harmonic Generation 級(jí)聯(lián)原理性實(shí)驗(yàn)； 根據(jù)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)安裝FEL 光學(xué)測量裝置掌握超高次 EEHG 機(jī)理，給出高次諧波的極限以及應(yīng)用到X 射線自由電子激光的可行性。技術(shù)上完全實(shí)現(xiàn)兩級(jí)的Cascade HGHG 原理性 實(shí)驗(yàn)， 給出級(jí)聯(lián)噪聲演變初步結(jié)果。最后，針對(duì) ERL 技術(shù)應(yīng)用于 X 射線 FEL 提出具體方案，對(duì)全相干的 X-FEL 提出具有新概念的方案，為我國下一步建造高性能的 X 射線 FEL 給出最佳物理方案的評(píng)價(jià)和建議。一、研究內(nèi)容建造硬 X 射線 FEL 將會(huì)極大促進(jìn)我國物理、化學(xué)、材料和生命科學(xué)等學(xué)科的研究。目前國際上已建成或在建的硬 X 射線 FEL 裝置均為 SASE 工作模式,我國未來興建的應(yīng)該是具有新概念、高效率的 FEL 裝置，這樣才能進(jìn)一步提高FEL 裝置的性能、降低成本和 規(guī)模， 產(chǎn)生更多的原創(chuàng)性研究成果。圍繞這些需求和目標(biāo)，本 項(xiàng)目擬主要解決以下五個(gè)主要關(guān)鍵科學(xué)問題并開展相關(guān)研究：1. 通過外種子諧波產(chǎn)生全相干 X 射線 FEL 的可行性如前所述，單級(jí) HGHG 已被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，但 產(chǎn)生 X 射線需要級(jí)聯(lián)HGHG、EEHG 和 EHGHG 等新機(jī)制。到目前 為止， 這些新機(jī)制尚未得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在理 論上也需要進(jìn)一步完善。為此，需要從理 論 和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面開展研究，主要研究內(nèi)容為：1）超高次諧波 FEL 相關(guān)理論研究基于 EEHG 的超高次 諧波自由電子激光的工作模式雖然在形式上是在傳統(tǒng)HGHG 的基礎(chǔ)上添加多一級(jí)的能量調(diào)制以及聚束段而成，但其工作機(jī)制與傳統(tǒng)HGHG 有本質(zhì)上的區(qū)別，而且通過 Echo 機(jī)制引入的束流精細(xì)結(jié)構(gòu)給模擬計(jì)算的研究帶來了新的挑戰(zhàn)，因而通 過深入的理論研究與模擬計(jì)算研究，將擴(kuò)展 EEHG自由電子激光的潛力并為原理性實(shí)驗(yàn)研究提供重要的理論依據(jù)。EEHG 自由電 子激光工作模式強(qiáng)烈依賴于對(duì) Echo 機(jī)制引入的精細(xì)結(jié)構(gòu)的保持和有效控制上，因而電子束參數(shù)（例如能量穩(wěn)定性、縱向分布等）、種子激光各項(xiàng)參數(shù)（例如功率水平、功率穩(wěn)定性、束斑尺寸等）、色散段非相干同步 輻射與相干同步輻射、色散段非完美性等對(duì) EEHG 自由電子激光性能的影響研究將對(duì)實(shí)驗(yàn)研究的成功具有重要的指導(dǎo)意義。此外，如何利用 EEHG 的機(jī)制與傳統(tǒng)激光的最新進(jìn)展將自由電子激光波長擴(kuò)展到硬 X 射線，例如利用 級(jí)聯(lián) EEHG(EESHG)，一級(jí) HHG 作為種子的 EEHG，也將是重要的研究課題，而且 這個(gè)研究將可能為全相干硬 X 射線自由電子激光提供新的技術(shù)路線。級(jí)聯(lián) HGHG 的主要問題是信噪比， E.L. Saldin 博士等人指出，隨著諧波次數(shù)的不斷增加，噪聲信號(hào)也越來越強(qiáng)。 這一論斷目前國 際上仍然存在較大的爭議，LBNL 的 W. Fawley 博士、SLAC 的黃志戎博士、 BESSY 的 A. Meseck 博士也開展了相關(guān)的理論與模擬計(jì)算研究，但仍有繼續(xù)深入研究的必要。因此我們將通過理論分析和完善的數(shù)值模擬手段，深入研究級(jí)聯(lián) HGHG 的噪聲演化、縱向相干性演化和輻射漲落等相關(guān)問題，以期為級(jí)聯(lián) HGHG 的實(shí)驗(yàn)提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。2）級(jí)聯(lián) HGHG 原理性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)研究上海深紫外自由電子激光（SDUV FEL）是單級(jí) HGHG 實(shí)驗(yàn)裝置，在 SDUV FEL 基礎(chǔ)上，通過資源整合和第二 級(jí) HGHG 波蕩器系 統(tǒng)的研制，我們便可以成功集成兩級(jí)級(jí)聯(lián) HGHG 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開展兩級(jí)級(jí)聯(lián) HGHG 原理性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，以期掌握級(jí)聯(lián) HGHG 工作模式的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，為級(jí)聯(lián)型 FEL 的發(fā)展提供重要的依據(jù)。為實(shí)現(xiàn)這一實(shí)驗(yàn)，需要開展飛秒同步、束 團(tuán)刷新等關(guān)鍵技術(shù)研究。 兩級(jí)級(jí)聯(lián)HGHG 就是利用前級(jí) HGHG 的輸出作為后級(jí) HGHGH 的種子激光， 為了使兩級(jí)HGHG 有效運(yùn)行，前后兩 級(jí)中輻射發(fā)生在電子束團(tuán)的不同區(qū)域，這就需要將電子束團(tuán)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行相對(duì)磁延遲，也就是所謂的束團(tuán)刷新技術(shù)。通常地，兩 級(jí)級(jí)聯(lián)HGHG 對(duì)束團(tuán)刷新技術(shù)的要求在百 fs 量級(jí)。另一方面，兩級(jí)級(jí)聯(lián) HGHG 中，種子激光的脈沖長度（約 100fs）要小于電子束團(tuán)脈沖 長度（約 ps）。種子激光與電子束團(tuán)在第一級(jí) HGHG 調(diào)制段有效作用在合適的電子束團(tuán)位置，將是兩級(jí)級(jí)聯(lián)HGHG 成功的基本前提， 這對(duì)定時(shí)與同步系統(tǒng)提出了 100fs 精度的要求，因而100fs 級(jí)高精度的激光-激光、激光 -電子束的定時(shí)同步系統(tǒng)的研制開發(fā)與系統(tǒng)集成將是實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵。另外，兩級(jí)級(jí)聯(lián) HGHG 對(duì) 波蕩器提出了更高的要求，即必須保證前后兩級(jí)的波蕩器遵從嚴(yán)格的共振關(guān)系，因此，高精度波蕩器的研制將是兩級(jí)級(jí)聯(lián) HGHG 需要攻克的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。我們還將開展級(jí)聯(lián) FEL 輻射特性實(shí)驗(yàn)研究。理想框架范 圍內(nèi)的研究表明，級(jí)聯(lián) HGHG 可以獲得全相干硬 x 射線波段的激光輸出，但當(dāng)我們考慮電子束團(tuán)噪聲、種子激光功率和時(shí)間抖 動(dòng)等實(shí)際情況時(shí)， 級(jí)聯(lián) HGHG 裝置輸出輻射的縱向相干性和 shot-to-shot 漲落隨著諧波轉(zhuǎn)換次數(shù)的增加而逐 級(jí)變差。級(jí)聯(lián) HGHG 輻射性能是國際上一個(gè)備受關(guān)注的話題，存在較大的學(xué)術(shù)爭議，尚未形成定論。因此，希望通過理論分析、數(shù)值模擬和原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步掌握級(jí)聯(lián) HGHG 裝置性質(zhì)。建成后的兩級(jí)級(jí)聯(lián) HGHG 裝置將會(huì)提供很好的平臺(tái)，通過實(shí)驗(yàn)研究，來 檢驗(yàn)級(jí)聯(lián) HGHG 的輻射特性。3）EEHG 原理性 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)研究在上海深紫外自由電子激光做少量硬件適當(dāng)改造的基礎(chǔ)上，我們可以開展高次諧波自由電子激光的實(shí)驗(yàn)研究，以期掌握高次諧波自由電子激光工作模式的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，并開展原理性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)， 為高增益全相干自由電子激光的發(fā)展提供重要的依據(jù)。為實(shí)現(xiàn)上述實(shí)驗(yàn)，需要開展如下關(guān)鍵技術(shù)研究：基于 EEHG 的超高次自由電子激光工作模式是通過兩束激光對(duì)電子束進(jìn)行能量調(diào)制下得到，因而對(duì)定時(shí)與同步系統(tǒng)提出了更高的要求，因而開展飛秒級(jí)高精度的激光-激光、激光-電子束的定時(shí)與同步系統(tǒng)的研制開發(fā)與系統(tǒng)集成將是實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵。另一方面，對(duì)Echo 機(jī)制 產(chǎn)生的超高次諧 波的縱向分布的直接或間接測量以驗(yàn)證 EEHG 自由電子激光的工作機(jī)制也是實(shí)驗(yàn)成功的另一個(gè)關(guān)鍵因素。2. 發(fā)展光學(xué)振蕩器型全相干 X 射線 FEL 理論及關(guān)鍵技術(shù)最近提出的 XFELO 概念受到國際上的廣泛關(guān)注，因此需要對(duì)其理論和關(guān)鍵技術(shù)開展深入研究，使這一新途徑得到不斷完善。為 此主要將開展如下研究：開展 XFELO 的理論研究，探索提高 XFELO 裝置中 FEL 增益的有效途徑；深入研究 FELO 在 FEL 過程中縱向相干性及相干長度的演化，建立相應(yīng)的物理模型；利用國外已有的紫外-深紫外 FEL 振蕩器，進(jìn)行相干長 度演變機(jī)制的實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證并完善理論模型，在此基 礎(chǔ)上探討其它改善 FEL 縱向相干性的新途徑；探討可用于硬 X 射線 FELO 的光腔結(jié)構(gòu)及其所需的反射晶體、聚焦結(jié)構(gòu)等，尋求一種低損耗、可 實(shí)現(xiàn)較大范圍內(nèi)波 長調(diào)節(jié)、 穩(wěn)定性好的 X 射線光腔。3. 基于 ERL 技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效率 XFEL 的可行性由于 ERL 具有束流平均功率高，能有效利用微波功率的 優(yōu)點(diǎn)，基于 ERL 的FEL 將具有能量轉(zhuǎn)換效率高和脈沖重復(fù)頻率高等特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)高效率 FEL 的有效途徑之一。由于高能 ERL 關(guān)鍵技術(shù)問題尚未完全解決，因此將主要從理 論方面開展基于 ERL 的 X 射 線 FEL 的研究：研究 FEL 對(duì)電子束品質(zhì)及能量回收的影響，研究能量回收對(duì) FEL 出光的影響；探討基于 ERL 的 XFELO 等高品質(zhì)的 X 射線 FEL 的實(shí)現(xiàn)途徑等；研究 FEL 過程對(duì)電子束品質(zhì)以及能量回收的影響與限制，研究能量回收對(duì) FEL 出光的影響及限制；優(yōu)化基于 ERL 的超 導(dǎo)加速器的運(yùn)行參數(shù)，提出并優(yōu)化基于 ERL 的 X 射線 FEL 方案，優(yōu)化能量回收返航束線的設(shè)計(jì)。還要探索如何分時(shí)、高效地使用基于能量回收技術(shù)的超導(dǎo)加速器所提供的高重復(fù)頻率的、高品質(zhì)電子束 團(tuán)；探討 X 射線 FEL 特別是 XFELO、相干同步輻射等對(duì)電子束品質(zhì)及束團(tuán)時(shí)間結(jié)構(gòu)的要求。4. 掌握并發(fā)展 ERL 技術(shù)如前所述，國際上已成功實(shí)現(xiàn)了 ERL 技術(shù)，而我國只開展一些理論模擬研究，尚未開展這方面的實(shí)驗(yàn)。為 真正掌握 ERL 技術(shù)，更好開展基于 ERL 技術(shù)的 FEL 研究，需要在已有基礎(chǔ)上集成一個(gè) ERL 實(shí)驗(yàn)裝置并開展實(shí)驗(yàn)研究。為發(fā)展 ERL 技術(shù)，突破當(dāng)前國際上高平均流強(qiáng) ERL 的瓶頸， 則要開展低發(fā)射度、高重復(fù)頻率超導(dǎo)光陰極注入器和高平均流強(qiáng)超導(dǎo)直線加速器方面的研究。1）ERL 實(shí)驗(yàn)裝置建造及實(shí)驗(yàn) 研究主要研究內(nèi)容包括束流動(dòng)力學(xué)模擬研究、實(shí)驗(yàn)裝置物理設(shè)計(jì)、主要部件研制、實(shí)驗(yàn)裝置整體集成和實(shí)驗(yàn)研究等。在模擬研究與設(shè)計(jì)方面，主要研究能量回收機(jī)制、束流傳輸過程中的縱向相空間調(diào)控和束流不穩(wěn)定性等，探索抑制這些效應(yīng)的有效途徑。不穩(wěn)定性包括尾場不穩(wěn)定性、多圈束流崩潰相 應(yīng)（BBU ）等，相干同步輻射（CSR）、空間電荷效應(yīng)造成的束流發(fā)射度增長以及束線中離子俘獲效應(yīng)對(duì)束流的影響等。在理論模擬研究基礎(chǔ)上給出合理的 ERL 實(shí)驗(yàn)裝置整體物理設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)裝置主要部件研制主要包括研制一臺(tái)可加速電子到 25-30MeV 的超導(dǎo)加速單元和可以產(chǎn)生紅外自由電子激光的波蕩器和腔鏡系統(tǒng)，波長約為 8-20um, 波蕩器長度約為 1 米，光腔 鏡距離為 9 米。在研制上述主要部件的基礎(chǔ)上，完成束流傳輸元件和束流測量與診斷、低電平控制系統(tǒng)和束線的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等，完成 ERL 實(shí)驗(yàn)裝置的整體集成。在 ERL 實(shí)驗(yàn)裝置上開展的實(shí)驗(yàn)研究有：研究能量回收機(jī)制，在沒有自由電子激光的條件下，如何實(shí)現(xiàn)高效率的能量回收；研究并束段（Merger）的性能和改進(jìn)途徑，研究 ERL 束流傳輸過程中束流發(fā)射度變化；實(shí)現(xiàn)腔鏡式紅外自由電子激光出光，優(yōu)化相關(guān)參數(shù)，掌握關(guān)鍵技術(shù)；研究電子束產(chǎn)生自由電子激光后能散和發(fā)射度增長對(duì)能量回收的影響，通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)出光后返航段設(shè)計(jì)的合理性，探索進(jìn)一步改進(jìn)的途徑。2） 低發(fā)射度、高重復(fù)頻率超導(dǎo)光陰極注入器研制低發(fā)射度、高重復(fù)頻率超導(dǎo)光陰極注入器具有很大的挑戰(zhàn)性，強(qiáng)流超導(dǎo)腔、高平均流強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)光陰極以及兩者之間的兼容性都是超導(dǎo)型光陰極注入器的重大挑戰(zhàn)。發(fā)展這類注入器，需要開展電子槍結(jié) 構(gòu)、射 頻超導(dǎo)腔、驅(qū)動(dòng)激光技術(shù)、光陰極材料制備等方面的研究。高電荷量、幾個(gè) ps 的電子束 團(tuán)在低能區(qū)存在嚴(yán)重的空 間電荷效應(yīng)，直接影響束流的發(fā)射度。電子槍需要提供足夠高的陰極表面場（20MV/m）以遏制電子束團(tuán)空間電荷效應(yīng)引起的發(fā)射度的增長。本課題將研究一種具有高陰極表面電場和高引出電壓的新型電子槍結(jié)構(gòu)，以獲得低發(fā)射度、高重復(fù)頻率、可以 CW 運(yùn)行的高品質(zhì)電子束流。采用能量回收技術(shù)雖然能減輕主加速器超導(dǎo)腔主耦合器的負(fù)擔(dān)，但卻提高了注入器中超導(dǎo)腔對(duì)大功率主耦合器以及高階模耦合器等部件的要求。研制適用于注入器的特殊結(jié)構(gòu)的變速射頻超導(dǎo)腔是超導(dǎo)型光陰極注入器的又一難點(diǎn)。作為電子槍與 為 1 的加速結(jié)構(gòu)的過渡， 變速射頻超導(dǎo)腔需要保證束流匹配、光陰極與超導(dǎo)腔兼容、無電子倍增現(xiàn)象（multipacting ）、足夠的機(jī)械強(qiáng)度、超導(dǎo)腔內(nèi)表面的潔凈度（避免場致發(fā)射）、高階模的抑制、大功率微波饋入等。實(shí)驗(yàn)和模擬均表明，空間、時(shí)間上都具有均勻分布的激光脈沖對(duì)降低發(fā)射度非常有利，這對(duì)于激光的性能（激光脈沖的束斑、橫向 縱 向分布、能量及相位抖 動(dòng)）提出了極高的要求。一般商品激光器不能滿足此要求，需要研制專用的激光系統(tǒng)。要獲得發(fā)射度不大于 1mm mrad、平均流 強(qiáng)達(dá)到 mA 量 級(jí)的電子束流，需要對(duì)激光脈沖進(jìn)行整形并控制激光光斑的大小，同時(shí)需研制放大器以保 證激光脈沖的能量達(dá)到高電荷量要求。光陰極應(yīng)具有較高的量子效率、較長的工作壽命、很好的穩(wěn)定性和快速響應(yīng)時(shí)間等。本 項(xiàng)目研究金屬、半導(dǎo)體以及摻雜型光陰極材料的性能， 選取量子效率高、壽命長、本征發(fā)射度小的光陰極以獲得低發(fā)射度、 強(qiáng)流電子束。還應(yīng)進(jìn)行超導(dǎo)光陰極注入器的束流實(shí)驗(yàn)研究，主要包括電子束的引出、注入器超導(dǎo)腔的低溫運(yùn)行、驅(qū)動(dòng) 激光同步控制、微波功率饋入與控制、束流 診斷與測量等。3） 高平均流強(qiáng)超導(dǎo)直線加速器用于 ERL 的強(qiáng)流超導(dǎo)加速器的研制涉及到多項(xiàng)射頻 超導(dǎo)關(guān)鍵技術(shù)，包括高性能射頻超導(dǎo)腔研制、恒溫器設(shè)計(jì)研制、 頻率調(diào)諧器設(shè)計(jì)研制、 強(qiáng)流高階模耦合器研制、麥克風(fēng)效應(yīng)和洛倫茲力失諧問題等。用于 ERL 的強(qiáng)流超導(dǎo)加速器并不一味追求高的加速梯度，而要 綜合考慮液氦消耗、強(qiáng)流電子束產(chǎn)生的高 階模場的有效吸收等因素，以實(shí)現(xiàn)最佳性價(jià)比。因此，需要對(duì)超導(dǎo)加速器運(yùn)行溫度、加速梯度、每只腔的單元（cell ）數(shù)進(jìn)行綜合比較研究，以確定用于 ERL 的強(qiáng) 流超導(dǎo)加速器的最佳運(yùn)行溫度范圍、最佳運(yùn)行加速梯度范圍和合適的每只腔單元數(shù)，并確定超導(dǎo)加速器總體運(yùn)行參數(shù)。射頻超導(dǎo)腔是超導(dǎo)加速器的關(guān)鍵部件?？紤]到液氦損耗，用于 ERL 的超導(dǎo)腔加速梯度受到一定限制。如果能有效提高超導(dǎo)腔的品質(zhì)因數(shù)，則可有效降低液氦消耗，此時(shí)則可以提高超導(dǎo) 加速器的運(yùn)行梯度，以減小加速器的規(guī)模。 為提高超導(dǎo)腔的品質(zhì)因數(shù)，需要從多方面進(jìn)行深入細(xì)致的研究，包括高純鈮材 RRR 值的提高，腔型的進(jìn)一步優(yōu)化，超導(dǎo)腔制造工藝的進(jìn)一步改 進(jìn)，超 導(dǎo)腔的后處理和在線處理技術(shù)等。超導(dǎo)加速腔有著比常溫腔高得多的分路阻抗，因而易于得到高的加速場強(qiáng), 但是也使得束流容易在諧振腔內(nèi)激勵(lì)出較為明顯的諧波電場。由于束團(tuán)脈沖的持續(xù)時(shí)間非常短, 因此它激勵(lì)出的場具有很寬的頻譜范圍, 其中若干高階模（HOM）場不利于束流的傳輸穩(wěn)定性并且消耗射頻功率。特別是在強(qiáng)流電子束下，高階模的影響比弱流下要大很多。因此，應(yīng)對(duì) HOM 的影響進(jìn)行深入研究并設(shè)計(jì)合適的耦合器和吸收器，以對(duì)高階模進(jìn)行有效的吸收。超導(dǎo)加速單元（cryomodule ）是最基本的加速結(jié)構(gòu)。我 們還將對(duì) cryomodule關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，重點(diǎn)是超流氦兩相管道優(yōu)化、 頻 率調(diào)諧裝置（快調(diào)諧和慢調(diào)諧）、熱輻 射屏的設(shè)計(jì)分析、磁屏蔽的設(shè)計(jì)考慮等。5. 發(fā) 展 緊湊型 XFEL 關(guān)鍵技術(shù)緊湊型 XFEL 也是實(shí)現(xiàn)高效率的途徑之一，實(shí)現(xiàn)緊湊型 XFEL 的關(guān)鍵技術(shù)有低發(fā)射度注入器、真空內(nèi)波 蕩器、高梯度 C 波段加速 結(jié)構(gòu)等。有關(guān)超 導(dǎo)型注入器的研究內(nèi)容已在上一節(jié)中論述，注入器部分本節(jié)只涉及常溫光陰極微波電子槍。1）亞微米發(fā)射度光陰極微波電子槍常溫微波電子槍利用強(qiáng)射頻場加速電子使其很快達(dá)到相對(duì)論速度，從而把空間電荷效應(yīng)導(dǎo)致的發(fā)射度增長降到最小，同時(shí)需要降低射頻場的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱對(duì)發(fā)射度的貢獻(xiàn)，抑制強(qiáng)射頻場下暗電流和打火，最終獲得亞微米發(fā)射度的電子束流。研究內(nèi)容涉及電子槍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工 藝研究、同步技術(shù)研究、驅(qū)動(dòng)激光整形、精密診斷技術(shù)等。在已經(jīng)研制成功 1.6 單元微波電子槍的基礎(chǔ)上，參考 LCLS 光陰極微波電子槍的設(shè)計(jì)，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ，解決 電子槍高功率饋 入、高加速 場下打火和暗電流抑制、電子槍中非工作模式 對(duì)發(fā)射度增長的貢獻(xiàn)的降低等問題。同時(shí)開展緊湊型光陰極微波電子槍的研究。高的加速梯度是常溫微波光陰極電子槍降低空間電荷效應(yīng)對(duì)發(fā)射度增長的貢獻(xiàn)的關(guān)鍵。這需要系統(tǒng)解決 電子槍研制過程中的加工、清洗、 焊接、測試等工藝問題。電子槍中的微波場與光陰極驅(qū)動(dòng)激光在時(shí)間上的精準(zhǔn)同步是保證低發(fā)射度、高峰值流強(qiáng)、低能散電子束 長期穩(wěn)定獲得的前提，也是不同 FEL 運(yùn)行模式的必要條件。因此需開展激光振蕩 器與微波源負(fù)反饋抖動(dòng)控制、微波低電平開展、不同激光脈沖同步技術(shù)等實(shí)現(xiàn)光陰極微波電子槍所需的亞皮秒時(shí)間抖動(dòng)控制。如果光陰極產(chǎn)生的電子束的空間和時(shí)間分布是均勻的，那么經(jīng)過發(fā)射度補(bǔ)償后，電子束在注入器出口將會(huì)有非常低的發(fā)射度，因此需要驅(qū)動(dòng)激光系統(tǒng)產(chǎn)生的紫外激光脈沖是時(shí)間和空間均勻分布的，并具有一定的調(diào)節(jié)能力。一般商用激光系統(tǒng)產(chǎn)生的紅外脈沖的空間和時(shí)間分布是高斯分布，而且由紅外激光倍頻到紫外的效率并不高，所以將開展紫外驅(qū)動(dòng)激光脈沖的橫向和整形技術(shù)研究，同時(shí)保證紅外到紫外的倍頻效率。在研制完成光陰極微波電子槍的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)加工聚焦、真空、水冷、測量等輔助系統(tǒng)，開展低發(fā)射度、高峰值流強(qiáng)電子束的實(shí)驗(yàn) 研究，開展低 發(fā)射度、短脈沖的電子束的診斷方法的研究。2）小周期真空內(nèi)波蕩器研制與高梯度 C 波段加速結(jié) 構(gòu)方案研究如前所述，近年來，一些新的加速器與波蕩器概念和技術(shù)的提出為我們建造更為緊湊的硬 X 射線 FEL 裝置提供了可能。在這些新概念中，C 波段加速器與真空波蕩器的作用最為突出：C 波段加速器依靠其更高的加速梯度來有效縮短整個(gè)直線加速器的長度；真空內(nèi)波蕩器，尤其是低溫真空內(nèi)波蕩器能夠使用更短的波蕩器周期為硬 X 射線 FEL 提供足夠的場強(qiáng)，從而從原理上大幅度降低所需的電子束能量?，F(xiàn)在應(yīng)用這些新技術(shù)建造緊湊型的硬 X 射線 FEL 已經(jīng)成為 FEL 發(fā)展的一個(gè)重要趨勢，國際上在建或計(jì)劃建造的幾個(gè)硬 XFEL 裝置都在嘗試?yán)眠@些新的技術(shù)以減少裝置的規(guī)模及造價(jià)。我們將圍繞緊湊型 X-FEL 裝置相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)開展高梯度 C 波段加速結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究以及小周期真空內(nèi)波蕩器的試制研究。小周期真空內(nèi)插入件方面，我們計(jì)劃研制通用型的真空內(nèi)波蕩器，周期長度為 1.5-2.0cm，最高工作場強(qiáng)在 1 特斯拉左右。同時(shí)積極開展低溫波蕩器的設(shè)計(jì)探討。高梯度 C 波段加速結(jié)構(gòu)方面主要包括高梯度電場的實(shí)現(xiàn)、 優(yōu)良束流品質(zhì)保持以及整體結(jié)構(gòu)的加工成型工藝等方案研究。