作為第四代先進光源,自由電子激光由高亮度電子束團驅動,然而由于微波電場加速和束團長度壓縮,直線加速器產(chǎn)生的電子能量在束團縱向尺度上不可避免地呈非均勻分布。電子束團的這種不均勻性,將減緩自由電子激光增益,并破壞其縱向相干性。因此在短波長自由電子激光裝置中,人們提出了偏峰加速和高次諧波結構兩種方法,來分別補償電子束團縱向相空間的線性和非線性變化。
2012年,美國SLAC實驗室的K. Bane和G. Stupakov提出了金屬溝槽結構補償電子束團能量的概念(Nucl. Instr. Meth. A 690 (2012) 106),束流在經(jīng)過溝槽結構時激起尾波場,可以補償電子束團縱向相空間的線性耦合。相對于其他方法,溝槽結構由于其簡單、被動性、高性價比等特點,得到了國際加速器界的高度關注。2013年,美國SLAC和LBNL實驗室的科學家通力合作,在韓國PAL實驗室70Mev直線加速器上,成功地利用溝槽結構補償了電子束團縱向相空間的線性耦合(Phys. Rev. Lett.112(2014)034801)。
2012年,上海應用物理研究所自由電子激光團隊研究發(fā)現(xiàn),通過匹配金屬溝槽結構參數(shù),也能補償電子束團縱向相空間的非線性耦合(Qiang Gu et al., Proceedings of LINAC2012, Tel-Aviv, Israel, 525-527)。2013年,自由電子激光團隊提出在SDUV-FEL開展電子束團非線性補償?shù)膶嶒灧桨?,并?jīng)過一年的努力,將金屬溝槽真空腔等硬件集成到了SDUV-FEL。2014年04月,經(jīng)過精心調(diào)試,研究人員利用金屬溝槽結構,成功地補償了電子束團縱向相空間的非線性耦合,同時完成了自由電子激光輻射光譜改善和電子束團能散降低的測量。這是國際上首次將金屬溝槽結構運行在自由電子激光裝置中。
金屬溝槽結構在SDUV-FEL的成功實驗運行,對當前及未來自由電子激光等大科學裝置的發(fā)展具有重要的實際意義并且產(chǎn)生深遠的影響。目前,國際上,美國SLAC實驗室已經(jīng)準備將金屬溝槽結構應用到其X射線FEL用戶裝置中;在國內(nèi),金屬溝槽結構有望在建設中的大連相干光源、上海軟X射線自由電子激光、上海交通大學超快電子透鏡等裝置中得到應用。該項研究得到了國家自然科學基金委、國家科技部“973”項目和中國科學院的資助支持。
電子束團通過金屬溝槽結構時,縱向相空間的非線性被尾波場補償
電子束團在金屬溝槽結構中激起的縱向尾波場
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