同步辐射自由电子激光光学速调管研制

报告了一同步辐射自由电子激光光学速调管的研制情况。此装置已应用在中国科技大学国家同步辐射实验室的储存环上进行同步辐射自由电子激光相干辐射的研究。装置具有光学速调管以及均匀波荡器两种工作模式,已用于短波长相于谐波辐射自由电子激光的研究,以期得到紫外(UV)、真空紫外(VUV)和软X射线波段的相干光源,也用于产生高亮度同步辐射光。光学速调管由三段组成:调制段、色散段和增益段。装置的主要技术性能为:在磁气隙g=40mm时,磁场幅值B_0=0.30T和B_0=0.70T(色散段),磁场幅值均方根偏差小于1.0％。磁场一、二次积分值小于0.005T·cm和0.04T·cm~2。     

光学速调管自由电子激光的理论研究

该项目由国家 863 计划和国家自然科学基金资助的理论研究和数值模拟课题。其目的是对光学速调管紫外波段自由电子激光进行理论研究和数值模拟,从而达到对光学速调管自由电子激光规律的认识和掌握实验方案的理论设计能力。研究的内容包括光学速调管内磁场的计算,电子束的能量调制,电子束的密度调制,光学速调管的自发辐射谱和增益谱的计算,谐波超辐射的计算,磁场误差对能量调制的影响和对自发辐射谱的影响等。所有这些工作对实验方案的设计是有实际应用价值的。     

便携式同步辐射原位激光加热装置研制

同步辐射实验方法在研究材料的结构和物性上具有独特的优势,然而,要实现同步辐射原位高温条件,尤其温度高于2 000 K以上,对很多实验方法来说还是一个挑战。激光加热方法可以实现快速、微区的极端高温条件,已经成为高温物性研究的重要工具。上海同步辐射光源在极端高温研究领域,例如高熵合金、涡轮叶片、航空材料等还欠缺相关的原位高温条件,因此,研制了一种便携式连续激光加热装置,利用光谱仪获得样品的热辐射谱,并通过黑体辐射方法拟合出样品的温度梯度和温度稳定性。利用该装置成功实现真空环境中钨片的快速熔化(熔点约3 695 K),并在上海同步辐射光源表面衍射线站获得了1 608 K原位条件下的MoS2和CTAB-MoS₂材料X射线衍射图谱。本工作所研制的激光加热方法拓展了上海光源在极端条件下的实验能力,为极端高温条件下的材料物性研究提供了重要手段。     

自由电子激光装置数字化束流位置信号处理器研制及应用

针对自由电子激光装置(Free Electron Laser,FEL)对束流位置测量的需求,研制了可同时用于条带束流位置检测器(Stripline Beam Position Monitor,SBPM)和腔式束流位置检测器(Cavity Beam Position Monitor,CBPM)信号处理的数字化束流位置信号处理器(Digital Beam Position Measurement processor,DBPM)。该处理器为一体化的嵌入式结构,以现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)为系统核心,采用分布式的实验物理及工业控制系统(Experiment Physics and Industrial Control System,EPICS)进行远程数据交互。处理器对SBPM和CBPM系统的测试分辨率在0.5 n C流强时分别达到4μm和0.4μm,达到设计指标,成功应用于大连相干光源(Dalian Coherent Light Source,DCLS),并将应用于上海软X射线自由电子激光装置(Shanghai X-ray Free Electron Laser,SXFEL),是国内首台自主研制成功并实现工程应用的DBPM处理器。     

自由电子激光发展概况

今天能参加为庆祝王老八十寿辰而举行的学术报告会,讲讲自由电子激光的情况,我感到十分高兴。自由电子激光的发展是不同科学技术分枝,如加速器、激光、微波、磁性材料、快电子学等等互相渗透的结果。王老治学范畴广阔,在粒子物理、核物理、宇宙线、核武器、聚变、激光等等方面都做出了贡献,是我国开拓边缘学科的带路人。所以我觉得讨论这样一个题目来庆祝他的生日是很合适的。下面我就自由电子激光(FEL)的发展历史、工作模式、实验装置、应用前景和存在问题做一个简单的介绍。     

光学速调管改造及磁场垫补

合肥相干谐波辐射实验装置的主体部分是光学速调管。为提高实验用电子束能量,将原光学速调管的对称结构改造为不对称结构。原光学速调管三段各自的积分场都很大,总的积分场很小,三段不能独立可调。改造后的光学速调管需要三段独立可调,每段的积分场都必须很小。对改造后保留的辐射段磁场进行垫补和调试,使它的积分场和相位误差得到了有效减小。     

同步辐射光学元件的粘弹性减振方法

同步辐射光束线光学元件的振动不稳定性将影响样品处的光斑位置,将粘弹性减振器安装在光学元件上可以减弱地面微振动对机构影响。研究设计了粘弹性减振器,对粘弹性材料的剪切储能模量和损耗模量进行共享参数的非线性拟合,得到Prony级数各项系数;通过有限元软件模拟了粘弹性减振器的动力学性能,并以某长反射镜为例,对安装减振器后的结构系统进行谐响应分析、瞬态动力学分析以及静力学分析,并且比较了减振器安装位置对减振效果的影响。结果表明:粘弹性减振器能有效控制地面微振动对光学元件长反射镜振动稳定性的影响;减振器安装在光学元件底板下靠近两端减振效果更好,能显著提高元件的振动稳定性。该项研究对光束线其他光学元件的振动稳定性研究具有参考意义。     

基于遗传算法的自由电子激光优化设计

自由电子激光(Free-Electron Laser,FEL)的辐射功率、光谱等关键量是表征FEL品质的重要因素,这些量往往依赖于多种参量,所以优化这些品质参量的问题即可等效为如何寻求合适的参数来获得更优的FEL的输出。遗传算法是解决这类多变量优化问题常用的算法之一。本文基于遗传算法设计了一个用于FEL优化的应用程序,该应用程序利用实数编码方式,选择合适的算子并作相应的改进,同时利用Java Swing构建了友好的用户界面。实验结果表明,在进行辐射功率优化时,该算法能够在较短的时间内寻找到非常接近全局最优解的较优解。该应用程序具有良好的通用性与可扩展性,在一定程度上为FEL装置的运行优化提供帮助。     

HGHG自由电子激光时间相干性研究

时间相干性是外种子型自由电子激光(FEL)对于自发辐射自放大(SASE)FEE具有的重要优势之一。利用自制的迈克尔逊干涉仪测量了600 nm(二次谐波)和400 nm(三次偕波)高增益谐波放大(HGHG)FEL的时间相干性,分析不同延迟时间处的干涉图样条纹可见度,得到了600 nm和400 nm HGHG自由电子激光的相干长度,分别为119±6.7 fs和112±16.9 fs。通过与光谱测量和理论计算结果进行比较,进一步验证了实验测量的准确性。结果表明HGHG自由电子激光继承了种子激光的相干性特点,这与理论预测结果相一致。     

基于PC的光学速调管磁间隙控制系统

描述了合肥国家同步辐射实验室(NSRL)储存环自由电子激光(SRFEL)光学速调管(TOK)磁极间隙控制系统的原理和结构，给出了系统硬件结构、软件流程图及其工程实现。该调节系统可以独立或同时调节TOK调制段、色散段、辐射段三部分磁极间隙的大小，精度达到0.01mm；多重安全保护能确保储存环真空室不被破坏。     

EAST装置大功率速调管保护系统研制

依据速调管耗散能量的安全值与最大故障电流、电弧电压和电源供电切断时间的关系,介绍了EAST上2.45 G/2 MW低杂波速调管过流保护系统的设计。采用过电流电路触发和引燃管旁路速调管电流的方法来实时保护速调管。经自检测试和在EAST放电实验中的应用表明,该系统能在50μs内完成保护,完全满足设计需求。     

EAST速调管快速保护系统的研制

介绍了EAST速调管快速保护系统的研制.EAST速调管快速保护系统的功能是对磁场电流,主回路电流,管体电流和打火保护信号进行监测.当这些信号超过设定的阈值,快速保护系统立即给后面的控制系统发出过阈报警信号,从而快速保护速调管.     

上海同步辐射装置的时标系统研制

时标系统对加速器控制系统中的所有控制计算机的时钟起同步作用,以使加速器的各种数据有共同的时间戳。这样加速器各种数据可确定精确的因果关系,便于数据分析、故障诊断等。本文基于对两个大型加速器时标系统的硬件架构及实现机制的分析,设计了一套实验室环境下的时标系统,就测试结果与国外加速器的时标系统进行比较和总结,为上海同步辐射装置的时标系统研制提供有利参考。     

自由电子激光振荡器中边带的数值模拟

编制了一个功能齐全的研究边带问题的FEL振荡器程序GOFEL-P,模拟计算结果与国外FELP程序结果一致,和实验结果符合。在此基础上,研究了边带产生、发展、间跳(Hopping)过程,尖模(Spiking mode)直至浑沌(Chaos)以及光频率鸣叫(Chirp)的全过程及机制。研究了在常参数Wiggler和变参数Wiggler两种情况下边带对光的输出特性的影响。研究了用失谐(Detuning)光腔长度方法和滤波方法消除边带的机制和可能性以及消除边带后的影响。     

自由电子激光振荡器中边带的数值模拟

编制了一个功能齐全的研究边带问题的FEL振荡器程序GOFEL-P,模拟计算结果与国外FELP程序结果一致,和实验结果符合。在此基础上,研究了边带产生、发展、间跳(Hopping)过程,尖模(Spiking mode)直至浑沌(Chaos)以及光频率鸣叫(Chirp)的全过程及机制。研究了在常参数Wiggler和变参数Wiggler两种情况下边带对光的输出特性的影响。研究了用失谐(Detuning)光腔长度方法和滤波方法消除边带的机制和可能性以及消除边带后的影响。