高增益短波长自由电子激光的数值研究

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论文详情
高增益自由电子激光被实验证明为目前唯一可以把自由电子激光推向紫外直至X射线的工作方式,在飞秒化学、生物分子结构、纳米科学、原子分子物理学等广泛的研究领域有巨大的应用前景,成为了当前世界上FEL领域的一个发展热点,已经形成了多个总体性方案。 但是高增益FEL装置结构庞大,技术难度极高,投资规模往往达到数亿美金。因此在装置建造以前,必须进行详细的理论分析和模拟计算。不同模式的高增益FEL都有特定的优点和缺点,然而没有一种具有压倒性的优势,提出并分析不同的高增益模式,以产生具有相干性好、功率稳定、辐射亮度高等优异品质的X射线自由电子激光,成为当今FEL领域中一个研究前沿。 本论文的主要内容是高增益短波长自由电子激光的数值模拟与分析研究。主要工作包含有不同X射线自由电子激光模式的计算与分析、自由电子激光基本理论和数值模拟方法的分析、一维FEL数值计算程序的编写、HGHG半解析计算与参数优化方法的讨论、级联HGHG的参数优化和计算方法的讨论、国家同步辐射实验室X射线FEL计划方案物理参数的初步设计几方面的工作。另外,基于THz光源的应用前景,本论文最后一章分析了储存环插入元件的长波长辐射性能。 本论文追踪国际FEL前沿,并结合本实验室的一些原创性理论,取得了下列进展: 编写了一维时间依赖FEL计算程序TDH1D,该程序的主要目的是为了对不同模式的X射线FEL进行快速依赖于时间的计算,分析它们的纵向相干性、辐射带宽、信噪比等前沿热点问题。另外,因为TDA3D、Genesis等公开的FEL模拟软件不易于分析FEL高次谐波性能,TDH1D可以对高次谐波多方面的性能进行比较细致的计算。TDH1D从基本的FEL一维理论出发,采用“宏粒子”计算方法,引入慢变包络近似(SVEA)和一个波荡器周期平均近似等。TDH1D进行了一些三维效应的修正,在不降低计算速度的同时,得到与三维计算更加接近的结果。 根据贾启卡研究员推导的HGHG一维解析理论,编写数值计算程序HG1D。HG1D的主要作用是结合解析理论,分析HGHG-FEL各种参数之间的相互联系以及对辐射的影响,快速优化实验参数。并且通过HG1D对上海深紫外自由电子激光装置种子激光功率和色散段强度的优化,讨论了它们对于饱和功率与饱和长度的影响,并进行了理论分析。
摘要第4-6页
Abstract第6-7页
目录第8-11页
第一章 绪论第11-20页
    1.1 自由电子激光简介第11-12页
        1.1.1 自由电子激光国内外发展历史第11-12页
        1.1.2 自由电子激光主要模式第12页
    1.2 短波长自由电子激光发展态势第12-14页
    1.3 短波长高增益自由电子激光主要模式第14-18页
    1.4 论文内容第18-20页
第二章 自由电子激光基本理论第20-45页
    2.1 平面型波荡器的磁场表达和电子运动轨迹第20-24页
        2.1.1 平面型波荡器的磁场数学表达第20-22页
        2.1.2 电子运动轨迹第22-24页
    2.2 自由电子激光基本方程第24-37页
        2.2.1 考虑光场作用的电子运动方程第24-26页
        2.2.2 能量方程第26-27页
        2.2.3 相位方程第27-30页
        2.2.4 小信号增益第30-32页
        2.2.5 光场方程第32-36页
        2.2.6 高增益模式第36-37页
    2.3 自放大自发辐射自由电子激光(SASE-FEL)第37-39页
    2.4 高增益谐波放大自由电子激光(HGHG-FEL)第39-43页
        2.4.1 HGHG-FEL的理论估算第39-42页
        2.4.2 HGHG-FEL的一维解析理论第42-43页
    2.5 小结第43-45页
第三章 FEL数值模拟方法第45-62页
    3.1 自由电子激光模拟软件的基本算法第45-51页
        3.1.1 基本自由电子激光方程第45-46页
        3.1.2 宏粒子抽样第46-49页
        3.1.3 依赖时间的模拟方法(time dependent simulation)第49-51页
    3.2 TDA3D和Genesis1.3的算法简介第51-56页
        3.2.1 光场方程求解方法的比较第52-53页
        3.2.2 功率计算方法第53-54页
        3.2.3 电子相位抽样方法的比较第54页
        3.2.4 TDA3D和Genesis1.3算例比较第54-56页
    3.3 FAST的算法第56-58页
    3.4 MEDUSA的算法第58-60页
    3.5 小结第60-62页
第四章 一维时间依赖FEL计算程序TDH1D第62-81页
    4.1 基本方程第62-63页
    4.2 三维效应修正第63-67页
        4.2.1 电子的β振荡对束流密度的影响第63-64页
        4.2.2 β振荡对相速度的影响第64-65页
        4.2.3 光场与电子束重合效果的修正第65-67页
    4.3 程序总体流程第67-68页
    4.4 SASE-FEL运算第68-72页
        4.4.1 参数选择第68页
        4.4.2 SASE-FEL的稳态计算第68-69页
        4.4.3 SASE_FEL时域计算和频谱分析第69-72页
    4.5 HGHG-FEL计算第72-76页
        4.5.1 计算参数第72-73页
        4.5.2 稳态计算第73-75页
        4.5.3 时域计算和频谱分析第75-76页
    4.6 高次谐波计算第76-79页
    4.7 小结第79-81页
第五章 HGHG-FEL理论分析与半解析计算第81-95页
    5.1 HGHG-FEL半解析计算程序HG1D第82-86页
        5.1.1 群聚因子的数值计算方法第82-83页
        5.1.2 与TDA3D的对比计算第83-85页
        5.1.3 HG1D与Genesis1.3的对比第85-86页
    5.2 种子激光和色散段强度的优化方法第86-89页
    5.3 HG1D算法的一些讨论第89-93页
        5.3.1 发射度等效能散的修正第90-91页
        5.3.2 不同求平均方法造成的误差第91-92页
        5.3.3 种子激光纵向分布的影响第92-93页
    5.4 HG1D与TDH1D的比较第93页
    5.5 小结第93-95页
第六章 几种X射线FEL方案的分析第95-111页
    6.1 SASE-FEL模式第95-98页
    6.2 级联HGHG-FEL模式第98-99页
    6.3 级联HGHG-FEL的简化方案第99-105页
        6.3.1 稳态计算与参数选择第100-103页
        6.3.2 时域和频域计算第103-105页
    6.4 HHG驱动的超短脉冲自由电子激光第105-107页
    6.5 自种子SASE-FEL初步研究第107-110页
    6.6 小结第110-111页
第七章 级联HGHG Soft-XFEL参数设计第111-150页
    7.1 级联型HGHG-FEL的参数优化第111-126页
        7.1.1 级联HGHG-FEL与“fresh bunch”技术第111-113页
        7.1.2 波荡器与电子束参数第113-114页
        7.1.3 第一级HGHG-FEL的参数优化第114-118页
        7.1.4 第二级HGHG-FEL的参数优化第118-123页
        7.1.5 两级HGHG之间漂移段的设计第123-125页
        7.1.6 分段间隙的考虑第125-126页
    7.2 误差分析第126-131页
        7.2.1 电子束偏差第126-129页
        7.2.2 磁铁装置误差第129-130页
        7.2.3 种子激光功率偏差第130-131页
    7.3 Slart to End 模拟与依赖于时间的计算第131-136页
        7.3.1 第一级HGHG-FEL第131-133页
        7.3.2 第二级HGHG-FEL第133-136页
    7.4 光场模式的简单分析第136-137页
    7.5 波荡器和色散段磁铁设计第137-143页
        7.5.1 波荡器磁场设计第137-141页
        7.5.2 色散段磁场的设计第141-143页
    7.6 滑移效应对于短脉冲种子激光驱动的高次谐波放大器辐射的影响第143-149页
        7.6.1 理论分析第144-145页
        7.6.2 算例分析第145-149页
    7.7 小结第149-150页
第八章 储存环插入元件长波长辐射第150-170页
    8.1 插入元件长波长辐射的理论第150-160页
        8.1.1 波荡器渡越辐射第151-156页
        8.1.2 扭摆磁铁长波长辐射理论推导第156-160页
    8.2 合肥同步辐射装置超导扭摆磁铁的长波长辐射计算第160-163页
    8.3 合肥同步辐射装置光学速调管的长波长辐射计算第163-164页
    8.4 合肥同步辐射装置超导扭摆磁铁和弯转磁铁长波辐射比较第164-167页
        8.4.1 辐射强度比较第164-166页
        8.4.2 辐射通量比较第166-167页
    8.5 弯转磁铁边沿辐射第167页
    8.6 小结第167-170页
结束语第170-172页
参考文献第172-175页
致谢第175页
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