【基金標(biāo)書(shū)】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

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項(xiàng)目名稱(chēng)： 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(guó)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(mén)： 中國(guó)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(guó)際 FEL 領(lǐng)域 發(fā)展的最前沿，力爭(zhēng)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(guó)未來(lái)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(wèn)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?xún)r(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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guò)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?jī)?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(kāi)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(kāi)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(guó)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(guò)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(wèn)題進(jìn) 行分析?；诮ǔ傻膶?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(lái)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(kāi)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(kāi)展新概念、高效率 XFEL 的基礎(chǔ)研究，是一項(xiàng)開(kāi)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(jiàn)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(zhǎng) ?s=1047nm， 功率 P= 0~30MW, 脈沖長(zhǎng)度 ?s=8ps電子束參數(shù) 能量 160MeV，發(fā)射度 6.0 mm?mrad，能散 0.01%參數(shù) 第一級(jí) 第二級(jí)周期 長(zhǎng) 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 0~70mm 0~10mm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(zhǎng)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(zhǎng)（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(guò)這些簡(jiǎn)單的硬件改進(jìn)就能開(kāi)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(zhǎng) 高性能輻射段波蕩器的突出優(yōu)勢(shì)，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(guó)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(zhǎng)，很難 通過(guò)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(lèi)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(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)的高次諧波，因而相對(duì)于第一級(jí)種子激光的波長(zhǎng)，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(lái)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(kāi)展 HGHG 研究的專(zhuān)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(guó)際上第一個(gè)兩級(jí)級(jí)聯(lián) HGHG試驗(yàn)裝置，率先開(kāi)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(jiàn)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(guò)兩段 1.5m長(zhǎng) 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(guò) 3 段 2m長(zhǎng)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(zhǎng) ?s=786 nm， 功率 P= 0~50MW, 脈沖長(zhǎng)度 ?s=30~100 fs電子束參數(shù) 能量 160MeV，峰 值電流 300A，發(fā)射度 6.0 mm?mrad，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) 12~34 10 10 7.8色散段參數(shù) d?/d? 0.5 0.75波長(zhǎng) ? (nm) 786 262 262 131增益長(zhǎng)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(guó)際上的研究重點(diǎn)和發(fā)展方向。因此，在我國(guó)高增益短波長(zhǎng) 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(guó)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(guó) 際上未來(lái) 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(guó)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(cè)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(guó)際上的進(jìn)展很快，多個(gè)研究組此類(lèi)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)已超過(guò)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(kāi)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(kāi)展在主要研究?jī)?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(méi)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(zhǎng)時(shí)間的關(guān)注和研究，參考國(guó)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(guó)第一個(gè) ERL 實(shí)驗(yàn)裝置并在我國(guó)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 ~3μmLength of Undulator 1.5 mλu of Undulator 3 cmK of Undulator 0.5-1.4Optical Cavity Length 11.52 mWavelength of FEL 4.7-8.3μm3．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(kāi)展研究。通過(guò)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 向分布和光斑大小；同時(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(cè)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(cè)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(guò)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(guò)功率對(duì)稱(chēng)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(chǎng)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(cè)試工藝。通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(chǎng)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(chǎng)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(lèi)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(lài)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(lái)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(guò)程中，搭建了 電子槍束流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，基本具備了開(kāi)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(cè) 、真空、冷卻等硬件條件，同 時(shí)已經(jīng)開(kāi)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(guò)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(chǎng)的有效吸收等因素，以實(shí)現(xiàn)最佳性?xún)r(jià)比。我們將通過(guò)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(guò)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(cè)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(guó) ANL 在強(qiáng)流超 導(dǎo)腔方面也開(kāi)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(guò)理論分析、模擬計(jì)算、工藝加工與部件性能測(cè)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(guó)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(cè)，束流等）、可長(zhǎng)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(cè)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(cè)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(guó)際一流的，有開(kāi)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(cè)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(zhǎng) 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(cè)傳輸信號(hào)與反射信號(hào)的相位差，通過(guò)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(guò)較快的反饋控制壓電陶瓷控制光纖的長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期<10fs 的穩(wěn)定度。最后使用基于光學(xué)－微波相位 檢測(cè)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(zhǎng)度為幾十米至上百米的小周期波 蕩器，并對(duì)場(chǎng)強(qiáng)和精度有很高的要求。近年來(lái)，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(zhǎng)度可以短至 1 到 2 厘米之間，磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)波蕩器。我們計(jì)劃研制通用型的真空內(nèi)波蕩器，周期長(zhǎng)度為 1.5-2.0cm，最高工作場(chǎng)強(qiáng)在 1 特斯拉左右。同時(shí)積極開(kāi)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(lái) X 射線自由電子激光裝置的長(zhǎng)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?jī)?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 3mm?mrad、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?jī)?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(kāi)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?zhuān)婚_(kāi)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?jī)?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?zhuān)婚_(kāi)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(cè)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?jī)?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(kāi)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(wèn)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(kāi)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?jī)?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(kāi)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(guò)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(cè)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(guó)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?jī)?nèi)容建造硬 X 射線 FEL 將會(huì)極大促進(jìn)我國(guó)物理、化學(xué)、材料和生命科學(xué)等學(xué)科的研究。目前國(guó)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(guó)未來(lái)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(wèn)題并開(kāi)展相關(guān)研究：1. 通過(guò)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(kāi)展研究，主要研究?jī)?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(guò) 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(lái)了新的挑戰(zhàn)，因而通 過(guò)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(lài)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(zhǎng)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(wèn)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(lái)越強(qiáng)。 這一論斷目前國(guó) 際上仍然存在較大的爭(zhēng)議，LBNL 的 W. Fawley 博士、SLAC 的黃志戎博士、 BESSY 的 A. Meseck 博士也開(kāi)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(guò)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(wèn)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(zhǎng)度（約 100fs）要小于電子束團(tuán)脈沖 長(zhǎng)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(kāi)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(kāi)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(guó)際上一個(gè)備受關(guān)注的話題，存在較大的學(xué)術(shù)爭(zhēng)議，尚未形成定論。因此，希望通過(guò)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(guò)實(shí)驗(yàn)研究，來(lái) 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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(cè)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(guó)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(kāi)展深入研究，使這一新途徑得到不斷完善。為 此主要將開(kāi)展如下研究：開(kāi)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(guò)程中縱向相干性及相干長(zhǎng)度的演化，建立相應(yīng)的物理模型；利用國(guó)外已有的紫外-深紫外 FEL 振蕩器，進(jìn)行相干長(zhǎng) 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(zhǎng)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(wèn)題尚未完全解決，因此將主要從理 論方面開(kāi)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(guò)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(guó)際上已成功實(shí)現(xiàn)了 ERL 技術(shù)，而我國(guó)只開(kāi)展一些理論模擬研究，尚未開(kāi)展這方面的實(shí)驗(yàn)。為 真正掌握 ERL 技術(shù)，更好開(kāi)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(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究。為發(fā)展 ERL 技術(shù)，突破當(dāng)前國(guó)際上高平均流強(qiáng) ERL 的瓶頸， 則要開(kāi)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?jī)?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(guò)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(chǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)約為 8-20um, 波蕩器長(zhǎng)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(cè)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(kāi)展的實(shí)驗(yàn)研究有：研究能量回收機(jī)制，在沒(méi)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(guò)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(zhǎng)對(duì)能量回收的影響，通過(guò)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(lèi)注入器，需要開(kāi)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(chǎng)（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(zhǎng)。本課題將研究一種具有高陰極表面電場(chǎng)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 β為 1 的加速結(jié)構(gòu)的過(guò)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(wú)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(chǎng)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(zhuān)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(zhǎng)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(zhǎng)、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(cè)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(wèn)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(chǎng)的有效吸收等因素，以實(shí)現(xiàn)最佳性?xún)r(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。考慮到液氦損耗，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(chǎng)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(chǎng)。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(chǎng)具有很寬的頻譜范圍, 其中若干高階模（HOM）場(chǎng)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?jī)?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(chǎng)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(zhǎng)降到最小，同時(shí)需要降低射頻場(chǎng)的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)對(duì)發(fā)射度的貢獻(xiàn)，抑制強(qiáng)射頻場(chǎng)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?jī)?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(guò)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(chǎng)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(zhǎng)的貢獻(xiàn)的降低等問(wèn)題。同時(shí)開(kāi)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(zhǎng)的貢獻(xiàn)的關(guān)鍵。這需要系統(tǒng)解決 電子槍研制過(guò)程中的加工、清洗、 焊接、測(cè)試等工藝問(wèn)題。電子槍中的微波場(chǎng)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(zhǎng)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(kāi)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(cè)量等輔助系統(tǒng)，開(kāi)展低發(fā)射度、高峰值流強(qiáng)電子束的實(shí)驗(yàn) 研究，開(kāi)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(lái)，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(lái)有效縮短整個(gè)直線加速器的長(zhǎng)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(chǎng)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(shì)，國(guó)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(kāi)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(zhǎng)度為 1.5-2.0cm，最高工作場(chǎng)強(qiáng)在 1 特斯拉左右。同時(shí)積極開(kāi)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(chǎng)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。