短波長(zhǎng)自由電子激光的飽和出光,不單需要直線加速器提供高品質(zhì)電子束團(tuán),而且需要確保電子束團(tuán)在波蕩器系統(tǒng)中高精度扭擺,這就涉及到波蕩器系統(tǒng)準(zhǔn)直、波蕩器間隙設(shè)定、波蕩器段間相位匹配和尾場(chǎng)補(bǔ)償?shù)葐?wèn)題。因此,在交付用戶之前,F(xiàn)EL裝置都要經(jīng)歷漫長(zhǎng)的調(diào)束階段,以便掌握和優(yōu)化整個(gè)FEL裝置的性能。
基于電子束團(tuán)的準(zhǔn)直(BBA)是粒子加速器領(lǐng)域常用的準(zhǔn)直方法。利用BBA技術(shù),美國(guó)LCLS自由電子激光在132m波蕩器達(dá)到了小于5μm的束流軌道。波蕩器的BBA過(guò)程需要改變電子束能量、讀取大量BPM數(shù)值和復(fù)雜的數(shù)值算法,鑒于此,LCLS是目前唯一成功運(yùn)行BBA的FEL裝置。基于電子束團(tuán)自發(fā)輻射的準(zhǔn)直(PBA),是近年發(fā)展起來(lái)的FEL波蕩器準(zhǔn)直方法。利用波蕩器下游的光學(xué)系統(tǒng),獨(dú)立測(cè)量各段波蕩器的自發(fā)輻射譜,推出束流軌道相關(guān)信息,從而加以反饋調(diào)整。日本SACLA自由電子激光利用PBA在110米波蕩器達(dá)到了1μm的束流軌道。
由于其優(yōu)越的全相干性和波長(zhǎng)穩(wěn)定性,外種子FEL已經(jīng)成為紫外至軟X射線波段用戶裝置的首選工作模式。外種子FEL電子束團(tuán)能量相對(duì)較低,通常在0.3-1GeV量級(jí),電子束剛性差,大幅改變電子束能量的BBA幾乎無(wú)法正常工作;另外,外種子FEL的工作波段沒(méi)有可用的晶體單色儀,無(wú)法進(jìn)行類(lèi)似SCALA的自發(fā)輻射準(zhǔn)直。因此,對(duì)于外種子FEL,探索新的波蕩器系統(tǒng)調(diào)試方法,是極具意義的一個(gè)科學(xué)問(wèn)題。
中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所長(zhǎng)期從事外種子FEL物理和實(shí)驗(yàn)研究,科研人員在總結(jié)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,提出了基于電子束團(tuán)相干輻射的外種子FEL波蕩器調(diào)試方法,并在SDUV-FEL試驗(yàn)裝置上完成了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,相關(guān)研究成果近日發(fā)表在Phys. Rev. ST-AB. 17 (2014) 100702。研究表明,通過(guò)分析已群聚電子束在輻射段波蕩器的相干輻射性能,同樣能得到波蕩器內(nèi)的束流軌道和共振關(guān)系等信息,便可以實(shí)現(xiàn)外種子FEL波蕩器系統(tǒng)的束流軌道準(zhǔn)直。另外,基于電子束團(tuán)相干輻射的準(zhǔn)直技術(shù)與整個(gè)FEL調(diào)試渾然一體,更為直觀,除波蕩器準(zhǔn)直之外,還可以用來(lái)設(shè)定波蕩器的工作磁間隙和波蕩器的段間相位匹配等。
目前,我國(guó)首個(gè)高增益FEL用戶裝置(大連相干光源)和首個(gè)X射線FEL(上海軟X射線FEL試驗(yàn)裝置)均采用外種子FEL工作模式,并在2~3年內(nèi)進(jìn)入FEL調(diào)試階段。因此,基于電子束團(tuán)相干輻射的波蕩器準(zhǔn)直和調(diào)試方法的提出,對(duì)我國(guó)FEL裝置建設(shè)有十分重要的實(shí)際意義。本項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家科技部973項(xiàng)目和中國(guó)科學(xué)院的資助支持,由中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所馮超博士和鄧海嘯博士等合作完成。
文章鏈接:
https://journals.aps.org/prstab/abstract/10.1103/PhysRevSTAB.17.100702

在基于電子束團(tuán)相干輻射的外種子FEL波蕩器準(zhǔn)直調(diào)試方法中,當(dāng)電子束在水平方向以一個(gè)傾角進(jìn)入波蕩器,并且波蕩器的gap大于FEL共振關(guān)系所需時(shí),在下游CCD上看到的電子束團(tuán)相干輻射的空間分布,左:SDUV-FEL實(shí)驗(yàn)結(jié)果,右:從頭至尾的數(shù)值模擬結(jié)果。
(上海應(yīng)用物理研究所汪蕾提供)