项目名称：新概念、高效率X射线自由电子激光（FEL）物理与.doc

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ls=1047nm， 功率P= 0~30MW, 脉冲长度ts=8ps 电子束参数 能量160MeV，发射度6.0 mm×mrad，能散0.01% 调制段 波荡器参数 参数 第一级 第二级 周期长度lu