1、项目名称： 新概念、高效率 X 射线自由电子激光（FEL）物理与关键技术研究首席科学家： 赵振堂 中国科学院上海应用物理研究所起止年限： 2011.1 至 2015.8依托部门： 中国科学院二、预期目标对全相干、高效率的 X 射 线 FEL 的各种新概念和技术途径进行深入的探索研究，跟上国际 FEL 领域 发展的最前沿，力争取得具有原 创性的成果，形成有特色的、先进的 X 射线 FEL 方案， 为发展超快、高亮度、高效率、完全相干的第四代光源作出贡献；从理论与实验两个方面掌握全相干、高效率 FEL 的相关关键技术，如 ERL、外种子谐波型 FEL（级联 HGHG、EEHG 等）、超低发射度的高
2、亮度注入器等，为 我国未来建造先进 的 X 射线 FEL 奠定技术和人才基础。五年中，本项目将达到以下预期目标：(1) 提出和研究 XFEL 的新概念和关键物理问题，完成级联HGHG、EEHG、XFELO 及 ERL 技术应用于 X 射线 FEL 的理论及可行性研究，在此基础上给出实现全相干、高效率、高性价比、先进的 X 射线 FEL 的优化方案；(2) 在深紫外自由 电子激光装置上实现两级级联 HGHG 的原理验证实验，并开展相关的实验研究，全面掌握级联 HGHG 自由电子激光的辐射特性；(3) 在深紫外自由 电子激光装置上实现基于 EHGHG 以及 EEHG 的自由电子激光运行模式的验证实
3、验，并开展深入的实验研究；(4) 在对光阴极材料、光阴极注入器结构进行系统研究的基础上，研制能够满足 XFEL 低发射度要求, 发射度小于 1um,具有创 新结构的光阴极注入器；（5）研制出满足 ERL 高平均流强要求的射频超导腔，Q 值不小于 2x1010，对强流下高阶模的影响进行分析并找到吸收 HOM 功率的有效途径，设计并研制出适用于 ERL 的超导加速单元；（6）集成 ERL 实验装置，开展各种相关实验研究，全面掌握 ERL 技术，为基于 ERL 的 XFEL 打下良好的基础；（7） 通过实现上述目标，培养出 5-6 名 FEL 及 ERL 领域的青年学术带头人，培养 20 名以上博士
4、研究生。三、研究方案本项目的研究内容包括了理论探索研究、综合实验研究和关键部件研制等三个方面，理论探索研究主要以模拟计算为基础，全面分析各种 FEL 新机制的可行性并提出最优方案；综合实验研究的开展则需根据实验目标建设完善实验装置，制定详细的实验计划；关键部件研制则首先提出方案设想，然后在理论分析、模拟计算基础上完成设计方案，之后研制成样机并开展试验研究，根据实验结果再对原设计进行完善。1理论探索研究全相干、高效率的 X 射线 FEL 是国际上 FEL 研究的重要研究方向和 热点。本项目将从理论上对全相干、高效率的 X 射线 FEL 的各种新概念和技术途径进行深入的探索研究；在已有的理论及实验
5、研究基础上，建立完整的理论分析模型和适用于外种子谐波型 FEL 及 FELO 的、高效的数值模拟程序包。本项目的最大特色是理论与实验相结合。通过本项目的外种子谐波型FEL（级联 HGHG、EEHG）实验和 ERL-FEL 振荡器实验，验证理论模型和数值模拟程序的可靠性，并对其进 行完善。在此基 础上，进 一步探索提高 X 射线 FEL 品质、降低 X 射 线 FEL 装置 规模的有效途径；利用理论模型和数值模拟程序，对 X射线 FEL 新概念和新技术途径中的关键物理问题进 行分析。基于建成的实验装置，设计 相应的实验方案，对理论分析和数值模拟结 果进行验证，更好地完善理论模型和数值模拟程序，从
6、而 为 FEL（特别是外种子 谐波型 FEL 及 FELO）的研究提供通用、可靠的工具，为未来建造硬 X 射线 FEL 装置提供完善的理论支持与保障。获得全相干、高效率的 X 射线 FEL 是目前整个 FEL 研究领域瞄准的一个重要目标。 虽然目前提出了一系列新概念和新途径，如级联HGHG、EEHG、XFELO 以及基于 ERL 技术的 XFEL 等，但要实施还需开展大量深入细致的基础性研究工作。而且随着加速器技术、波荡器技术等的突破，必将会为建造全相干、高效率的 X 射线 FEL 提供新的契机。因此开展新概念、高效率 XFEL 的基础研究，是一项开创性的工作。2综合实验研究1）超高次谐波自由
7、电子激光的关键技术与原理验证实验在上海深紫外自由电子激光（SDUV-FEL） 原有设计基础上做必要修改，主要包括增加一级激光注入、一 级调制段波荡器以及一级色散段，改进后的两级调制段与色散段布局如图 7 所示（主要参数见表 5），就可以进行诸多基于双调制段的超高次谐波自由电子激光工作模式的关键技术研究与原理性验证实验研究。图 7 SDUV-FEL EEHG 实验布局示意图表 5 SDUV-FEL EEHG 验证实验参数表种子激光参数 波长 s=1047nm， 功率 P= 030MW, 脉冲长度 s=8ps电子束参数 能量 160MeV，发射度 6.0 mmmrad，能散 0.01%参数 第一级
8、 第二级周期 长 度 u (cm） 6.5 5调制段波荡器参数周期 Nu 10 10色散段参数 R56 070mm 010mm周期 u (cm） 2.5周期数 360（6 段，每段 1.5m）辐射段波荡器参数 K 1.45FEL 参数 饱 和功率 P (MW) 100MW注：种子激光 2 参数与种子激光 1 的参数一致图 8（a） 给出了 SDUV-FEL 在 EEHG 工作模式下，辐射段波荡器中的功率增长情况，由于 EEHG 很强的密度调制和较小的能散引入，262 nm 辐射在 5m处就达到饱和，饱和功率为 100MW，饱和时的频谱 分布如图 8（b）所示， 输出的辐射达到纵向全相干，为 F
9、ourier Transform Limited 光脉冲。图 8 SDUV-FEL EEHG 原理验证实验功率增长（a）与饱和处光谱（b）可以看到，在上海深紫外自由电子激光装置上， 经过这些简单的硬件改进就能开展基于双调制段波荡器的超高次谐波自由电子激光的关键技术与实验研究，目前已经具备了这方面的实验能力。据我们所知，目前 SLAC 正在积极部署基于 EEHG 的超高次谐波自由电子激光的原理验证实验，但是，SLAC 的方案中辐射段波荡器很短，不能达到饱和输出，而上海深紫外自由电 子激光装置拥有 9m 长 高性能辐射段波荡器的突出优势，因而基于上海深紫外自由电子激光装置的方案将有望成为世界首个超
10、高次谐波自由电子激光的实验，并能达到饱和输出， 这将 对我国高增益全相干自由电子激光的发展产生深远影响。尽管 EEHG 运行模式具有很高的谐波转换效率，但是受限于传统激光的波长，很难 通过一级 EEHG 得到全相干硬 X 射线自由 电子输出，因此我们结合级联 HGHG 的新鲜束技术（Fresh bunch）以及 EEHG 原理，提出了级联EEHG（EESHG）的运行模式，可以产生超高次的谐 波辐射，其原理如图 9 所示。图 9 EESHG 原理示意图EESHG 由两级 EEHG 构成，中间辅以移相器，其中第一级为 EEHG 模式，第二级类似于传统的 HGHG，但本质上与第一级构成 EEHG 模
11、式。图 10 EESHG 纵向相空间演化EESHG 中纵向相空间的演化如图 10 所示，其中第一级的第一个调制段和色散段将整个束流转变为具有多个能带精细结构分布（图 10（a）所示），第一 级的第二个调制段和色散段只对电子束的尾部进行能量调制（图 10（b）和密度调制（图 10（c），而后产生密度调制的尾部电子束进入第一 级的辐射段将产生相干辐射，为了减小对已调制好的束流头部的影响，此 辐射段的长度选取将只使辐射段运行在相干辐射阶段，这里 产生的相干辐射将作为第二级能量调制的种子激光对束流头部产生调制，之后 经过第二级的色散段对束流头部进行密度调制，将产生第一级辐射段辐射波长的高次谐波，因而相
12、对于第一级种子激光的波长，谐波转换效率将大大提高。如果这个方案能够得到实验上的验证，将为未来全相干硬 X 射线自由电子激光提供一条全新的技术途径。2）级联高增益自由电子激光的关键技术与原理性实验研究(a) (b) (c)p p pz z zSDUV FEL 是一台开展 HGHG 研究的专用试验装置。它由一台 160MeV 高性能电子直线加速器、单级 262nm HGHG（包括调制段、色散段和辐射段）以及紫外 FEL诊断系统组成。在 SDUV FEL 的 262nm HGHG 基础上，新设计研制小间隙短周期的第二级HGHG辐射波荡器产生 131nm FEL，并 设计 100fs级 种子激光系统（
13、含高精度同步定时）和束团延迟线实现束团刷新，从而可建成国际上第一个两级级联 HGHG试验装置，率先开展级联 HGHG 出光实验研究。基于 SDUV FEL 的两级级联 HGHG 方案原理示意如图 11，主要参数见表 6。直线加速器786nm种子激光第一级HGHG 第二级HGHG262nm 131nm电子枪直线加速器电子枪图 11 SDUV-FEL 的整体方案原理示意图（方框内为增加的第二级 HGHG 部分）理论和数值计算表明，在 25MW 种子激光的作用下，160MeV 电子束在第一级HGHG 中， 经过两段 1.5m长 的辐射段波荡器， 产生 90MW 左右的 262nm辐射，作 为第二级的
14、种子激光，而在第二 级 HGHG 中， 经过 3 段 2m长的辐射段波荡器，被刷新的电子束团产生 40MW 左右的 131nm辐射。表 6. 基于 SDUV-FEL 的两级级联 HGHG 装置的主要参数种子激光 波长 s=786 nm， 功率 P= 050MW, 脉冲长度 s=30100 fs电子束参数 能量 160MeV，峰 值电流 300A，发射度 6.0 mmmrad，能散 0.01%参数 第一级 第二级波荡器参数 周期 u (cm） 5 2.5 2.5 1.8间隙 g (mm) 1234 10 10 7.8色散段参数 d/d 0.5 0.75波长 (nm) 786 262 262 13
15、1增益长度 Lg(m) 0.60 0.63 0.63 0.86FEL 参数饱和功率 P (MW) 100 40X 射线 SASE FEL 已经在实验 上获得成功，而基于种子激光的级联 X 射线 FEL是目前国际上的研究重点和发展方向。因此，在我国高增益短波长 FEL 现有基础上，从关键技术、系统集成和整机集成多层面上掌握两 级级联 HGHG 的多项重大核心技术，建设两级级联 HGHG，更具有意 义、也更加具有紧迫性。基于 SDUV FEL的两级级联 HGHG 装置建成之后，将在国际上率先 评估硬 X 射线 FEL 中采用级联 FEL 工作模式以实现全相干 XFEL 的可行性， 为国 际上未来
16、X 射线 FEL 技术路线的选择提供科学依据，将 为 FEL 领域做出重要贡献，使我国在该领域占有一席之地。基于 SDUV FEL 的两级级联 HGHG 在技术上是可行的。第二级 HGHG 所需波荡器和束流测量等设备的设计制造已经十分成熟，风险性小。对于定时与同步系统，最近国际上的进展很快，多个研究组此类系统的技术指标已超过我们实验的要求，完全可以满足本实验的需要。3）ERL 关键技术与原理性实验研究要真正掌握 ERL 技术，必须开展全面系统的实验研究。为此我们将首先集成一个 ERL 实验装置，该装置包括注入器、并束段（ Merger）、主加速器、返航束 线、波荡器、光腔镜和垃圾靶等。 图 1
17、2为 ERL实验装置示意图，表 7 为主要参数。我们选择注入器能量为 5MeV,电子束能量为 35 MeV, 既能保证开展在主要研究内容中所述各种 ERL实验，又使整个装置的规模不致太大。 实验方案的设计则从研究能量回收机制入手，即在没有自由电子激光的条件下，如何实现高效率的能量回收。之后研究 ERL FEL 的各种物理与关键 技术，同时也可根据实验结果也可对 ERL 装置进行完善并束段（Merger）的性能和改进途径。我们对 ERL 技术已有较长时间的关注和研究，参考国际上的经验和我们的需求确定了北大 ERL 系统的主要并进行了束流光学初步设计设计。初期样机的注入器将采用现有的 DC-SC
18、光阴极注入器，超 导加速器运行所需的 2K 低温系统已经建成，ERL 实验室也已建成，因此研究方案是完全可行的。这将是我国第一个 ERL 实验装置并在我国首次实现 ERL 技术。图 12 PKU-ERL 实验装置表 7 PKU-ERL 主要参数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
19、HzEnergy Spread (rms) 0.24%Transverse Emittance 3mLength of Undulator 1.5 mu of Undulator 3 cmK of Undulator 0.5-1.4Optical Cavity Length 11.52 mWavelength of FEL 4.7-8.3m3关键部件研制1）低发射度、高平均流强超导型光阴极注入器低发射度、高平均流强超导型光阴极注入器是基于 ERL 的 X 射线 FEL 的关键部件。我们将从模拟计算、激光器改造、光阴极材料和实验研究等几方面开展研究。通过理论分析与模拟计 算的方法，从束流 动力学
20、匹配、微波性能、机械性能、射频 超导性能、结构热分析等方面考虑，完成低发射度、高平均流强超导注入器核心结构（电子枪结构和变速超导腔）的物理设计和结构设计。对商用激光器的改造主要为设计光路对激光脉冲进行整形并控制光斑，以获得有利于降低发射度的束团横向分布、纵 向分布和光斑大小；同时还要研制放大器以获得高电荷量电子束团所需要的激光脉冲能量。 我们还将对金属掺杂、半导体掺杂等阴极材料的性能进行研究，制 备可以获得低发射度、高流强电子束的光阴极。根据注入器能量特点将建立一套完备的满足在线需要、工作稳定可靠的束流品质测量方法，对注入器的主要束流参数：流强、能散、发 射度、束团电荷、脉宽、束斑等进行测量。北京大学已有的 2K 低温系统和 1.3GHz 微波功率源，可以为注入器的实验提供条件，在光阴极注入器方面积累了比较丰富的经验。通过研究完全有可能设计出具有创新结构的超导型光阴极注入器，并最终获得强流、低发射度的高品质电子束流。2) 低发 射度、高峰值流强常温光阴极微波电子枪低发射度、高峰值流强常温光阴极注入器是高增益紧凑高效自由电子激光装置的核心设备。我们将在已 经研制成功 1.6 单元 BNL 型光阴极微波电子枪的基
