一、上海宽波段自由电子激光用户装置高亮度注入器的微波系统（论文文献综述）
颜佳伟[1]（2021）在《高重复频率自由电子激光的新机制研究》文中研究表明由于具有短波长、高峰值亮度、全相干、短脉冲等优越性能,X射线自由电子激光（XFEL）已经成为生物、化学、材料科学、凝聚态物理等多个学科领域的关键工具。近年来,为了获得高平均功率的辐射脉冲同时提高装置的可用性,基于超导直线加速器的高重复频率XFEL被提出并迅速成为领域前沿。高重复频率XFEL将极大的拓宽FEL的应用范围,但同时也带来了一系列的挑战。连续波XFEL很难通过改变加速结构的触发频率等传统方法来实现束团的能量控制,这限制了各条波荡器线的辐射波长调节范围。在本论文中,我们首次提出并设计了一套束流能量控制系统以实现在连续波XFEL中逐束团的能量控制。基于上海高重复频率硬X射线FEL装置的模拟结果表明,这套装置可以实现在1.5到8.7 Ge V之间连续的能量调节。超大带宽XFEL是近年来提出的新运行机制,对X射线谱学与晶体学等实验有着重要意义。对于高重复频率XFEL的关键问题是,如何在不改变已有装置布局与元件的前提下,获得带宽尽可能大的XFEL辐射脉冲。在本论文中,我们首次将高维多目标优化算法NSGA-III用于加速器领域,对过压缩运行模式的工作点进行系统设计,从而优化最终的输出带宽。由于缺乏具有高峰值功率且高重复频率的种子激光系统,外种子型XFEL很难高重复频率运行。在本论文中,我们首次提出相干能量调制的自放大机制用于将初始的能量调制放大1-2个数量级,从而极大的放松对种子激光的要求。基于上海软X射线自由电子激光装置已有的条件,我们完成了这个机制的原理性验证实验并且实现了对初始相干能量调制超过25倍的放大。在实验中,我们仅利用了1.8倍切片能散的能量调制实现了单级HGHG的7次谐波辐射与两级级联HGHG的30次谐波辐射。这是目前国际上“谐波次数/调制深度”的最好结果。该实验为未来建设兆赫兹量级的外种子型XFEL铺平了道路。激光与相对论电子束团在波荡器中持续的相互作用是XFEL的基本原理。在本论文中,我们首次在实验上验证并测量了激光与电子束在单块二极磁铁中的相互作用,揭示了最基本的FEL过程。此外,基于相干能量调制的自放大机制,我们实验证明了在二极磁铁中获得的能量调制可以用于单级HGHG的6次谐波辐射。该实验说明二极磁铁可以用来作为引入激光-束流相互作用的新工具,从而实现更加紧凑的激光加热器或者适用于激光等离子体加速器的调制段。这为设计未来的新型相干光源提供了新思路。
高张峰[2]（2021）在《X射线自由电子激光偏振控制的理论和实验研究》文中研究指明自由电子激光（Free Electron Laser,FEL）由于其独特的作用原理可以产生具有超短脉冲、超高光子能量、超强辐射功率以及全相干等特性的辐射光,在物理、化学、生物、材料等诸多学科领域具有广泛的应用,更是一些前沿研究领域的重要工具。自由电子激光在过去的几十年间发展迅速,不仅完成了从低增益到高增益的转变,辐射波长也从可见光、红外波段向外延伸,向上提升至太赫兹、微波波段,向下则降低至软X射线、硬X射线波段。世界上最早的X射线自由电子激光运行模式是自放大自发辐射。因为SASE模式原理简单,稳定性强,世界上大部分高增益X射线自由电子激光装置均以SASE作为其基本运行模式。为了提升FEL的纵向相干性,自种子型和外种子型方案相继被提出。如今,高增益自由电子激光理论已经得到了巨大的发展,并被实验验证。常规平面型波荡器只能辐射线偏振光,但随着圆二色谱的广泛应用,偏振可控的X射线FEL装置愈发受到用户的青睐。一般而言,可以利用1/4波片完成线偏振光和圆偏振光之间的转化,但在各种材料吸收率都较高的软X射线波段,我们需要在波荡器辐射阶段完成偏振控制。本论文将依托在建的上海软X射线自由电子激光装置（SXFEL）和上海高重频X射线自由电子激光装置（SHINE）,对高增益FEL辐射的偏振控制进行研究。用波荡器在高增益型自由电子激光中直接获得圆偏振辐射光的方法主要有两类,其一是交叉平面波荡器（CPU）,其二是椭圆极化波荡器（EPU）。前者结构简单,造价低,但辐射偏振度不高;后者辐射偏振性能强但造价昂贵,且对共振关系有一定的限制,很难得到兼具短周期和高峰值磁场强度的EPU波荡器。在软X射线波段主要采用EPU波荡器辐射圆偏振光以获得更优异的偏振性能。本论文在模拟中通过优化上游平面波荡器的参数提高辐射圆偏度,并根据运行指标分析方案的稳定性,计算波荡器的峰值磁场确定加工难度。同时额外设计了束流偏转结构以实现左/右旋圆偏振光快速切换,并分析了对束流稳定性的要求。在硬X射线波段获取特定偏振方向的线偏振光可以由偏振片或是特制的平面波荡器实现。本论文比较了基于光学元件的方法和基于波荡器的方法之间的辐射效果差异,最终选择辐射更强、极化纯度更高且成本更低的光学方法。EPU波荡器很难用于硬X射线辐射,于是模拟验证了交叉平面波荡器（CPU）在自种子硬X射线装置辐射圆偏振光的可行性,并通过改变束流横向包络达到在不同共振波长兼容的目的。为了满足更短的波荡器周期和更强的峰值磁场,本论文基于射频波荡器（RF undulator）的原理设计EPU波荡器。先用Genesis模拟验证该波荡器参数可有效产生FEL辐射,再根据此参数初步确定射频波荡器的腔体尺寸。进一步优化腔体尺寸,经过CST仿真确认腔体结构的高效性以及可以激发出稳定的周期电磁场。最后完成耦合器设计,得到所需的微波模式。本论文将EPU波荡器与超快X射线FEL辐射结合,先利用fresh-slice方法在SXFEL上模拟得到全相干X射线自由电子激光飞秒脉冲;再分析飞秒脉冲激光对束流参数的敏感性,验证方案的可行性;最后让EPU波荡器共振于二次谐波并置于辐射段之后,可同时获得基波的飞秒线偏振光和二次谐波的飞秒圆偏振光,且二者都是全相干辐射。最后,本论文依托SXFEL研究了基于预群聚电子束团的太赫兹源,从数值计算和三维模拟两方面评估了单束团太赫兹辐射的强度,并分析了不同束流及波荡器参数对此的影响。在此基础上,为清华基于非线性等离子体尾场调制的太赫兹辐射方案优化了辐射能量,增进了对多束团太赫兹辐射的了解。此外还发现了EPU波荡器在太赫兹源中的优势,更短的增益长度与更强的饱和功率对增强太赫兹辐射能量非常有利。
曾理[3]（2021）在《高增益自由电子激光的先进优化算法研究》文中指出作为目前世界上最亮的加速器光源,X射线自由电子激光（X-ray Free Elec-tron Lasers,XFELs）第一次使得在百皮米的空间尺度与阿秒的时间尺度上研究自然现象的奥秘成为了可能。它能产生具有高峰值功率（通常高于1GW）、短脉冲长度（通常短于1ps）、高峰值亮度（大约1032photons/s/mrad2/mm2/01%BW）、空间全相干等优异特性的辐射光脉冲。这些新颖的特性大大地推动了量子材料、凝聚态物理、原子分子光学、晶体学、光化学、结构生物学、医学等不同研究领域的进步。FEL是靠着将一部分电子束能量转化为辐射光能量来实现光脉冲输出的。具体来说,它是利用电磁场与相对论电子束之间的相互作用,在周期性变化的磁场中从电子束提取能量并将其转换为高功率辐射光脉冲。但是对目前绝大多数的FEL装置而言,这种从电子束到辐射光的能量转化效率（η=Pradiatian/Pe-beam）很低,大致只有电子束总能量的千分之一。另一方面,FEL装置是现有的最大、数据最密集、系统最复杂的大型科学装置之一。装置各个子系统之间的相互关系通常都是非线性的,系统动力学会涉及较大的参数空间,很难通过人工手动优化整个装置。由于这种内在的机制与外在的困难,高增益自由电子激光装置的优化越来越依靠先进优化算法。在这样的背景下,本论文的核心内容就是结合装置建设过程中的各种需求,利用先进优化算法来解决相应的FEL物理问题。本文首先从理论和实验两个方面研究了电子束轨道的准直,这是电子束与辐射场能否高效耦合的核心。在理论研究方面,结合上海软X射线自由电子激光装置（Shanghai Soft X-ray Free-Electron Laser Facility,SXFEL）进行了系统的模拟分析,并得出了束流位置监测器的分辨率对FEL功率的影响。同时,利用改进的遗传算法提出了一种新的基于束流的准直技术,这种方法克服了传统束流准直方法的理论缺陷,可以完美地解决低能加速器驱动的FEL装置上束流准直实验遇到的困难,为软X射线自由电子激光装置束流准直实验提供了一种新的可选方案。在实验研究方面,在SXFEL上开展了初步的束流准直实验,实验结果表明电子束轨道得到了一定程度的提升,为装置的调试与优化提供了基础条件。除此之外,本文还从基础调束软件与高级优化程序两个方面研究了高增益FEL装置的在线优化算法,这是装置调试与参数优化的基础。在基础调束软件方面,为SXFEL试验装置辐射段开发了一套调束软件,它拥有的十余种功能模块可以很好地满足调束实验人员日常需求,目前这些模块运行稳定可靠,为SXFEL试验装置的调试奠定了基础。在高级优化程序方面,开发了一款自由电子激光快速模拟程序——FALCON,借助于衍射因子和特殊的调制段设计,它不仅将模拟效率提升了约两个量级,也使得模拟任意情况下种子激光与电子束的相互作用成为可能。利用这款模拟程序,对Taper进行了深入的研究并提出了一种新的高效率自由电子激光原理。更重要的是,这款程序能用于装置FEL脉冲特性的在线预测,帮助研究人员实时获得更多束流与装置状态的信息。另外,还完成了基于遗传算法的在线自动调束实验、搭建了种子激光横向位置反馈系统。最后,本文提出了一种新的超快FEL脉冲单发在线诊断方法并结合SXFEL的级联HGHG运行模式分析了这种方法在装置调试过程中的作用。对于绝大多数超快FEL而言,电子束团发光的部分相较于整个电子束团很小,所以采用了局部加权多项式回归的方法来估计电子束初始中心能量与能散分布。这种方法能在FEL装置调束过程中提供稳定可靠的单发辐射脉冲纵向信息。基于这种方法,可以直接实时观测到FEL脉冲在增益过程中的演化并可以在线对两级辐射的脉冲特性进行相关性分析,这帮助研究人员实现了 SXFEL参数优化与最终出光。同时,提出了一种时间分辨率优于3 fs的激光-电子束相对到达时间反馈系统,它可以很好地维持输出FEL辐射的脉冲能量。如今,基于先进优化算法的方法在技术上已足够成熟,可以用于解决FEL领域的各类问题。未来这些先进优化算法必将在高增益FEL研究领域中发挥越来越重要的功能。
王程[4]（2021）在《高亮度微波电子枪及其前沿技术研究》文中研究指明电子枪是电子加速器中被加速粒子的源头,决定了整台加速器的束流性能。自由电子激光等大装置所要求的低发射度、高亮度电子束使得电子枪在国际上受到了广泛的关注和应用。而光阴极微波电子枪的出现和发展推动了自由电子激光、超快电子衍射等装置的发展,并将继续推动这些大装置向着更紧凑和更高效率的方向发展。随着科学研究的不断深入,未来极紧凑高亮度光源技术也对下一代光阴极微波电子枪提出了更低发射度、更低能散的需求。上海软X射线自由电子激光（S XFEL）经过多年发展已经顺利出光,并将为用户装置持续提供高质量的自由电子激光脉冲。在装置调束和运行过程中,我们发在现有装置调束和运行过程中,我们发现存在束流发射度无法进一步降低,且由于驱动激光的脉冲堆积使得电子束内部存在微结构,不利于自由电子激光的放大等问题。另外,出于对高重复频率自由电子激光装置的需求,上海硬X射线自由电子激光装置（SHINE）正在设计建造过程中。鉴于此,需要研制开发基于新型电子枪和更短驱动激光脉冲的高峰值亮度以及基于连续波光阴极电子枪的高平均亮度光阴极注入器。本论文详细论述了2.6-cell冷态C波段电子枪的设计和研究工作,首先对加速结构的谐振腔理论和注入器的束流动力学等方面进行了系统的阐述,并介绍了影响注入器出口束流质量的因素,提出需要使用更高梯度的加速结构。然后通过对高梯度技术和低温结构性质的分析,利用三维电磁场仿真软件完成了C波段低温电子枪的模拟和设计。通过使用精密加工技术完成了对测试腔和低温恒温系统的加工,使用测试腔的低温实验结果对冷态C波段电子枪的设计进行了验证,此后完成了C波段电子枪的加工和在常温、低温下各自的低功率测试。由于冷态C波段电子枪在设计上需要在高功率水平的加速器装置上运行,本文还介绍了该电子枪的高功率测试平台的布局和搭建。除冷态电子枪外,本论文还介绍了电子枪的另一个研究重点方向:连续波电子枪。该电子枪常温下可连续波运行。在设计连续波电子枪时需要综合考虑各RF参数的折中,因此引入了多目标优化算法对腔体进行优化。此外,也对该电子枪中会出现的二次电子倍增现象进行了抑制,并通过对多物理场的模拟确定了该电子枪可在设计状态下连续稳定地工作。
刘奎[5]（2021）在《RF模拟腔及自激励低电平控制系统研究》文中进行了进一步梳理上海高重复频率硬X射线自由电子激光装置工作在1 MHz的重复频率,并由甚高频（Very High Frequency,VHF）光阴极电子枪提供电子源,1.3 GHz连续波超导射频（Radio Frequency,RF）腔驱动。为获得优良品质的电子束,RF腔体需要高精度低电平（Low Level RF,LLRF）系统,稳定腔场的幅度和相位。然而,在VHF电子枪的连续波老炼或启动过程中,腔体会由于腔壁功率耗散迅速产生大量热量,引起腔体几何形状变形,进而造成腔体电磁谐振频率出现几十k Hz的失谐。腔体的机械调谐系统很难快速调谐,频繁的长距离移动也很容易损坏电机。而且腔体谐振频率较大的失谐也会造成腔体的反射功率较大,导致微波功率难以馈入腔体。另外,在1.3 GHz连续波超导射频腔中,腔体有很大的负载品质因数,导致腔体在频域上的带宽很窄。这使得腔体较小的失谐就会导致反射电压的功率很大,触发联锁保护。此外,腔内的电磁场和腔体璧电流还会造成洛伦兹力失谐效应。这导致在超导射频腔的老炼或启动过程中,超导腔的电磁模式会与机械模式相互作用,造成控制系统发生“ponderomotive”不稳定性,导致腔体难以被馈入微波功率。因此,本文设计开发了一种可用在老炼或启动过程中的自激励环路（SelfExcited Loop,SEL）低电平控制系统,通过调节环路中相位与增益,使控制系统环路频率能实时跟随腔体谐振频率,进而使得控制系统稳定,获得稳定的腔场。SEL控制系统既能在VHF电子腔的调谐系统中避免机械调节系统频繁移动,也在1.3 GHz连续波超导射频腔的低电平系统中防止发生“ponderomotive”不稳定性,而且腔体的反射功率也很低。同时,发生器驱动（Generator Driven Resonator,GDR）控制系统也被开发,用在RF腔正常工作状态。此外,本文还推导了适用于任何RF腔体的多馈腔体模型,用于研究腔体特性,为腔体测量提供理论依据。基于腔体模型,还开发了VHF电子枪和1.3 GHz连续波超导腔的RF腔数字模拟腔,用于研究测试新开发的低电平系统功能和算法。基于Micro TCA.4平台,本文完成了对1.3 GHz连续波超导腔的低电平系统和数字模拟腔的实验室测试。验证了所开发的低电平控制系统的功能和算法,证明了数字模拟腔是测试低电平系统算法和功能的可靠平台。
赵振堂,王东,殷立新,方国平,顾强,谷鸣,冷用斌,刘波,周巧根,沈立人,张猛,邓海啸,陈家华,陈建辉,陈志豪,丁建国,方文程,冯超,谷端,胡晓,黄大章,黄毛毛,蒋志强,李宾,林国强,刘以勇,孙森,王光宏,王兴涛,王震,吴衍青,俞路阳,袁启兵,张伟,钟少鹏,夏晓彬,唐传祥,黄文会,杜应超,颜立新[6]（2021）在《X射线自由电子激光试验装置》文中研究指明X射线自由电子激光试验装置（以下简称"SXFEL试验装置"）是中国第一台X射线相干光源,其输出波长小于9 nm。这台基于0.84 GeV直线加速器、以掌握装置相关技术和实验演示种子型自由电子激光（FEL）级联与短波长回声型FEL为主要目标的自由电子激光装置,于2020年11月通过国家验收。本文将介绍SXFEL试验装置的基本情况和主要进展。
耿和平[7]（2020）在《基于加速器的带轨道角动量X射线相关探索研究》文中进行了进一步梳理带轨道角动量（Orbital Angular Momentum-OAM）的涡旋光束具有的特点是其相位Φ会沿着传播方向的轴线关于方位角φ呈现螺旋形结构分布Φ=lφ,存在相位奇异点,并且每个光子带有lh的轨道角动量。可见光波段的带轨道角动量涡旋光在微观操控、微型机械、成像、通讯、量子纠缠等方面已经有很广泛的应用。随着第四代光源——X射线自由电子激光（X-ray Free-Electron Lasers-XFELs）的蓬勃发展,XFEL产生的这种具有超高峰值亮度、超短脉冲以及极好相干性等优越特点的X射线可以在超小空间（nm）和超快时间（fs）尺度下探测物质结构,并在原子分子物理、凝聚态物理、结构生物学、表面催化与超快化学、材料科学等前沿科学领域有不可替代的重要作用。将具有独特性质的带轨道角动量涡旋光拓展到X射线波段甚至γ射线波段,可以有效结合两者特点,在近几年已经成为国际上热门的研究课题,带轨道角动量X射线（X-ray Carrying OAM-XOAM）在衍射成像、超快磁学、X射线轨道圆二色谱学等方面有着卓越的应用前景。据此,我们提出基于上海软X射线自由电子激光装置（the Shanghai Soft X-ray FEL-SXFEL）产生XOAM的方案。本方案的创新点主要有:1、根据国内外产生OAM现有方法,分析总结出最适合SXFEL来产生XOAM的方法;2、提出了在SXFEL现有SASE装置后端直接添加两段螺旋型波荡器的方法来产生XOAM,能够降低成本,并且提高效率;3、使用本方案能够产生用于研究磁性材料磁结构尺寸的高能量（波长约为～1 nm）的XOAM射线。在方案设计过程中,我们总结目前国内外产生XOAM的各个方法,并对本方案的理论过程进行了较为深入的研究,通过模拟计算得到了稳定性好、波长为～1 nm的XOAM。为了使装置小型化,能在实验室产生高能量的XOAM,我们结合激光康普顿散射（Laser Compton Scattering-LCS）方法,使用圆偏振激光与相对论性电子相对碰撞时的LCS的非线性过程,通过理论分析和模拟计算,得到了 keV量级的X射线涡旋光。为后期实验室开展高能量X/γ射线涡旋光的科学应用提供可能性。
赵荣杰[8]（2020）在《自由电子激光装置中束流分配切割磁铁的研究与研制》文中研究指明作为目前最先进的第四代光源,自由电子激光（FEL）具有超短脉冲、超高亮度、空间全相干等更优异的特性,为生命、医药、化学、材料、能源等领域带来了全新的发展机遇,并将促进这些领域的极大发展。未来,自由电子激光将朝着高重复频率、短波长、脉冲可控等方向发展,自由电子激光装置也将实行多波荡器线同时运行,以产生多种模式、多种性能参数的自由电子激光,满足更广泛的用户同时用光的需求。与环形同步辐射光源不同,自由电子激光使用直线加速器来产生高品质的电子束,这就在很大程度上限制了它的用户容量,所以为提高自由电子激光装置的运行效率,必须进行束流分配系统的研究和设计。目前世界范围内大部分的自由电子激光装置都根据各自的装置参数以及实验需求设计了自己独特的束流分配系统。目前在建的上海硬X射线自由电子激光装置（SHINE）未来也将实行多束线同时运行,也进行了自己的束流分配系统的设计。在束流分配系统的设计中,选择用冲击磁铁（kicker）与切割磁铁（septum）组合的方式,冲击磁铁对电子束进行小角度的垂直偏转,之后再利用切割磁铁对束流进行大角度的水平偏转,实现束流分离,然后束流进入到各条波荡器线。本论文中首先对用于SHINE装置束流分配系统的Lambertson型切割磁铁进行了详细设计。针对SHINE装置束流分配段的整体要求,提出了对Lambertson磁铁的总体设计指标,之后进行了磁芯选材,并在考虑实际的磁铁设计以及工程应用的基础上,对磁铁的各尺寸参数以及励磁线圈中的电流大小进行了设计和优化。为了提高Lambertson磁铁好场区内的磁场均匀性,采用在磁铁极头边缘加垫片的方法。通过优化垫片尺寸并且经过模型的模拟验证,成功将Lambertson磁铁好场区内的磁场均匀性进行了很大提高,达到了设计指标。在Lambertson磁铁的整体设计中,为了降低无场区内的漏场,将无场区所在极头在磁铁两端进行了加长,并且在磁铁的两端设计了屏蔽板进行屏蔽处理。通过高精度的三维模型的模拟发现,采用极头加长与磁铁端部屏蔽相结合的方法,有效降低了Lambertson磁铁无场区内的积分漏场,满足了设计要求。同时,在Lambertson磁铁完整的物理设计的基础上,对磁铁其它配套系统进行了设计,并完成了磁铁部件的加工和组装,也搭建了实验系统对磁铁的各指标参数进行了实际测量。最后给出了完整的Lambertson磁铁的设计参数,为Lambertson磁铁在SHINE装置上的应用奠定了基础。在本论文中同时对Lambertson型切割磁铁设计中的难点提出了创新性的解决方法。为了提高Lambertson磁铁好场区内的磁场均匀性,我们采用对称补偿的思想,提出了在无场区对立极头加孔的方法。通过高精度模拟验证得出,当所加两孔的尺寸、间距以及距好场区的深度满足一定的参数关系时,能够有效提高Lambertson磁铁好场区内的磁场均匀性。这是首次提出的具有确定参数关系的用于提高Lambertson磁铁好场区内磁场均匀性的方法。同时针对Lambertson磁铁设计中最大的设计难点—无场区内漏场的降低问题,我们创造性地提出了将Lambertson磁铁与四极磁铁的设计相结合,并首次提出了“磁场整形”的概念。通过在无场区内添加通电线圈,将Lambertson磁铁无场区内的漏场“整形”为一个四极场,此时四极场磁中心处的初始漏场降低为零,并且通过调节线圈中的电流可以实现零磁场区域的移动,具有很大的灵活性。这是首次提出的能够将Lambertson型切割磁铁无场区内的漏场真正降低为零的方法,并且此方法的附加成本很小,具有极大的应用价值。
周征[9]（2019）在《高时空分辨高能电子成像与电子衍射研究》文中研究指明高时空分辨电子成像与电子衍射技术是用以观测微观、超快过程的强有力工具。相比于传统透射型电子显微镜以及电子衍射中的ke V量级电子束,基于光阴极注入器的高能电子束具有亮度更高、穿透能力更强、脉冲结构更短的优势,有望发展出具有更高时空分辨能力的高能电子成像以及电子衍射工具,并在高能量密度物理（high energy density physics,HEDP）诊断以及超快动力学研究等领域发挥重要作用。论文的主要工作就聚焦在先进光阴极注入器产生的高亮度电子束驱动的高时空分辨高能（>MeV）电子成像与电子衍射应用中的一些重要物理以及技术问题。为了提升高能电子成像系统的分辨能力以满足HEDP诊断的需求,论文工作首先开展了基于光阴极注入器和常规电磁透镜的高能电子成像实验。在实验中利用约50 MeV高能电子探针实现了对mm量级不透明厚靶的多维度分辨,空间分辨能力达到4μm,厚度分辨能力达到10μm,为高能电子成像技术用于HEDP的诊断做了开拓性工作。为进一步提高高能电子成像系统的空间分辨能力,并使成像系统更加灵活紧凑,本论文开展了基于高梯度永磁四极磁铁的级联放大高能电子成像技术的理论、设计与实验研究。在级联放大成像系统的验证实验中,获得了15倍的放大倍数下1.6μm的单发成像超高空间分辨能力。在高品质静态成像基础上,我们也开展了基于泵浦-探测方案的飞秒强激光触发的金属网格融化过程的动态试验,成功观测到融化过程中3个不同的阶段,证明了高能电子成像技术用于高能量密度物质动态演化过程诊断的可行性。论文工作的另一方面是兆电子伏超快电子衍射装置（MeV ultrafast electron diffraction,MeV UED）的研究。作为一种新兴的超快动力学研究的强力工具,体积紧凑、造价相对低廉的MeV UED装置得到了极大关注。为给用户提供良好的电子衍射平台,我们结合实验室现有条件,提出了发展清华百飞秒UED用户装置的目标,并从理论、模拟方面开展大量工作证明了装置的潜力。目前该专用装置搭建工作已经基本完成,即将进入综合调试及电子束出束阶段,为下一步用户实验的开展打下基础。此外,瞄准高重复频率UED这一重要趋势,与中物院应用电子学研究所进行合作,通过细致的束流动力学模拟,验证了在其超导THz-FEL束线基础上发展高重频飞秒分辨率UED装置的可行性。
齐争[10]（2019）在《基于束流操控的超快双色X射线自由电子激光研究》文中研究说明光源是人类认识未知世界不可或缺的工具,基于高品质相对论性电子束流的自由电子激光（Free-Electron Laser,FEL）是当前国际公认的第四代先进光源。相比于第三代同步辐射光源,FEL具有超高亮度、超短脉冲、空间全相干等优异特性,为研究物理、化学、材料、生物等学科的前沿问题提供了强有力的工具,并在相关领域开辟了全新的研究方向。FEL的可变波长覆盖了从太赫兹到X射线等广阔的光谱范围,其在各个波段的研究和应用都在蓬勃发展,目前FEL的主要发展方向有短波长、全相干、高亮度、高重复频率、脉冲特性可控等,其中超快双色X射线自由电子激光由于其独特的性质和广泛的应用前景而备受瞩目,先进的短波长X射线自由电子激光可以用来研究原子内壳层的电子跃迁,亚飞秒级别的超短脉冲自由电子激光可以研究物质中的超快变化过程,中心波长和脉冲延迟可调的双色自由电子激光可以用来做泵浦-探测实验。目前世界范围内大部分FEL装置的运行模式都是自放大自发辐射（SASE）,SASE-FEL的运行非常成功,它可以提供几十GW峰值功率、几个fs脉冲持续时间的硬X射线自由电子激光辐射,但是,由于SASE的初始信号起源于电子束流的散粒噪声,SASE-FEL的中心波长和功率不是很稳定,纵向相干性也很差。为了改善SASE-FEL的性能,有很多方法和方案被提了出来,例如自种子模式,增强型自放大自发辐射（ESASE）模式等,还有一类基于激光束流操控的外种子型自由电子激光模式,例如高增益高次谐波产生（HGHG）,回声谐波放大（EEHG）和相位汇聚增强型高次谐波产生（PEHG）等。在这些运行模式的基础上,世界上几个重要的实验室如美国的SLAC,日本的SACLA以及意大利的FERMI等已经提出来多种产生超快双色X射线自由电子激光的方案,并基于这些方案开展了一些非常有影响力的用户实验。与此同时,我国的自由电子激光相关原理、技术、装置和用户实验等研究也正在蓬勃发展,在此基础上,本论文研究的主要内容便是一方面紧跟国际学术前沿做超快双色X射线自由电子激光的研究,另一方面则是依托我国的自由电子激光装置做相关技术和实验的研究。在本论文中,我们首先全面研究了相位汇聚增强型高次谐波产生自由电子激光（PEHG-FEL）的原理,并结合上海软X射线自由电子激光（SXFEL）装置设计了PEHG-FEL的实验方案,给出了PEHG-FEL的参数优化、束流模拟和FEL辐射结果。在研究中,我们提出可以基于束流传输矩阵来研究谐波产生型自由电子激光的优化条件,我们综合考虑了束流的初始发射度参数和装置的实际结构布局,第一次从理论上给出了完整的PEHG-FEL的束流传输矩阵,并确定了PEHG-FEL的优化条件,我们发现最终决定PEHG-FEL束流群聚效果的是电子束的初始发射度和束流输运线的有效长度。在利用SXFEL装置进行参数优化和束流模拟时,为满足优化条件的要求,我们对初始的束流参数进行了横向匹配,并调整了装置的结构布局,我们设计了一段新的长约23米的dogleg结构。通过优化,我们最终使束流中种子激光30次谐波的群聚因子达到了0.09,并成功利用该群聚后的束流进行了8.8nm的自由电子激光辐射,相关的数值模拟结果符合理论预期,证明了PEHG-FEL的可行性,该研究内容同时也是SXFEL装置上PEHG-FEL的实验方案设计,对将来实际开展实验具有重要的参考意义。本论文研究的第二个主要内容是提出了一种新的方案来产生超快双色X射线自由电子激光（XFEL）。该方案是基于角色散增强型自放大自发辐射,通过在正常的ESASE结构之前加入一个角色散段,并且利用一个短至几个光学周期的种子激光来调制电子束,可以在纵向很短的范围内形成很强的密度调制,因而可以用来进行超快双色XFEL辐射。该方案采用激光束流操控的基本方法,并且利用束流的横向和纵向相空间耦合,相比于正常的ESASE,该方案能更加高效地来操控电子束流的纵向密度分布,这样一方面可以降低所需的种子激光的功率,另一方面也可以提高最终的XFEL辐射脉冲的信噪比,而且该方案还能产生适用于X射线泵浦/X射线探测实验的双色双脉冲XFEL。在研究中,我们给出了该方案的结构设计、理论分析和公式推导,并且结合上海高重复频率自由电子激光和极端光学装置（SHINE）给出了该方案的参数优化、束流模拟和FEL辐射结果,我们最终获得了一个饱和的0.15nm的自由电子激光辐射,其峰值功率是35GW,脉冲持续时间短至270as,且该辐射脉冲的信噪比约为92%。除此之外,本论文还基于激光束流操控的基本方法,研究了SXFEL装置上基于EEHG-FEL的双色软X射线自由电子激光实验方案,给出了实验所需的双色双脉冲种子激光的参数要求;研究了基于激光拍频的多色锁模FEL方案,给出了束流的能量啁啾要求和种子激光的参数要求等。
二、上海宽波段自由电子激光用户装置高亮度注入器的微波系统（论文开题报告）
（1）论文研究背景及目的
此处内容要求：
首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景，再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题，并提出你的论文准备的观点或解决方法。
写法范例：
本文主要提出一款精简64位RISC处理器存储管理单元结构并详细分析其设计过程。在该MMU结构中,TLB采用叁个分离的TLB,TLB采用基于内容查找的相联存储器并行查找,支持粗粒度为64KB和细粒度为4KB两种页面大小,采用多级分层页表结构映射地址空间,并详细论述了四级页表转换过程,TLB结构组织等。该MMU结构将作为该处理器存储系统实现的一个重要组成部分。
（2）本文研究方法
调查法：该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。
观察法：用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。
实验法：通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。
文献研究法：通过调查文献来获得资料，从而全面的、正确的了解掌握研究方法。
实证研究法：依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。
定性分析法：对研究对象进行“质”的方面的研究，这个方法需要计算的数据较少。
定量分析法：通过具体的数字，使人们对研究对象的认识进一步精确化。
跨学科研究法：运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。
功能分析法：这是社会科学用来分析社会现象的一种方法，从某一功能出发研究多个方面的影响。
模拟法：通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。
三、上海宽波段自由电子激光用户装置高亮度注入器的微波系统（论文提纲范文）
（1）高重复频率自由电子激光的新机制研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 X射线自由电子激光的发展历程 |
| 1.2 X射线自由电子激光的主要运行机制 |
| 1.2.1 SASE |
| 1.2.2 外种子模式 |
| 1.2.3 振荡器型XFEL |
| 1.3 世界各地的X射线自由电子激光装置 |
| 1.3.1 基于常温直线加速器的XFEL装置 |
| 1.3.2 基于超导直线加速器的高重复频率XFEL装置 |
| 1.4 论文的研究内容与创新点 |
| 第2章 X射线自由电子激光理论基础 |
| 2.1 注入器与直线加速器 |
| 2.1.1 注入器 |
| 2.1.2 束团压缩 |
| 2.1.3 激光加热器 |
| 2.1.4 尾场效应 |
| 2.2 束流分配系统 |
| 2.3 自由电子激光理论 |
| 2.3.1 电子的动力学方程 |
| 2.3.2 低增益自由电子激光 |
| 2.3.3 高增益自由电子激光 |
| 2.3.4 外种子型XFEL |
| 2.4 本章小结 |
| 第3章 连续波自由电子激光的多束团能量运行 |
| 3.1 自由电子激光中的束流能量控制 |
| 3.2 SHINE装置简介 |
| 3.3 束流能量控制系统的设计与分析 |
| 3.3.1 束流能量控制系统设计 |
| 3.3.2 基于SHINE的 START-TO-END模拟 |
| 3.4 高重复频率运行下的纵向相空间诊断 |
| 3.4.1 横向偏转腔系统的布局 |
| 3.4.2 横向偏转腔系统优化结果 |
| 3.5 本章小结 |
| 第4章 超大带宽自由电子激光 |
| 4.1 超大带宽自由电子激光运行模式 |
| 4.2 超大带宽自由电子激光模式设计 |
| 4.2.1 束流动力学设计与高维多目标优化 |
| 4.2.2 SXFEL装置简介 |
| 4.2.3 优化结果 |
| 4.2.4 基于NSGA-III的高效优化 |
| 4.3 基于辐射脉冲品质优化产生超大带宽自由电子激光 |
| 4.4 本章小结 |
| 第5章 相干能量调制的自放大机制 |
| 5.1 相干能量调制的自放大机制的理论与实验研究 |
| 5.1.1 高重复频率外种子型自由电子激光 |
| 5.1.2 理论研究 |
| 5.1.3 实验研究 |
| 5.1.4 结果分析与讨论 |
| 5.2 激光与相对论电子在二极磁铁中的相互作用 |
| 5.2.1 实验原理分析 |
| 5.2.2 实验研究 |
| 5.3 本章小结 |
| 第6章 总结和展望 |
| 参考文献 |
| 学术论文目录 |
| 致谢 |
（2）X射线自由电子激光偏振控制的理论和实验研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 自由电子激光的历史和现状 |
| 1.1.1 自由电子激光的发展历史 |
| 1.1.2 自由电子激光的国内外现状 |
| 1.2 自由电子激光的特点和应用 |
| 1.3 自由电子激光的发展方向 |
| 1.4 论文的研究思路和基本结构 |
| 第二章 高增益自由电子激光的偏振控制理论基础 |
| 2.1 高增益自由电子激光 |
| 2.1.1 FEL纵向动力学方程 |
| 2.1.2 高增益自由电子激光理论 |
| 2.1.3 主要高增益自由电子激光的运行机制 |
| 2.2 光的偏振性 |
| 2.3 X射线FEL的偏振控制方法 |
| 2.3.1 基于光学原件的方法 |
| 2.3.2 基于特殊波荡器的方法 |
| 2.4 本章小结 |
| 第三章 SXFEL与 SHINE辐射的偏振控制研究 |
| 3.1 SXFEL-UF的偏振控制 |
| 3.1.1 常规波荡器线圆偏振光辐射 |
| 3.1.2 左/右旋圆偏振光快速切换 |
| 3.1.3 真空波荡器线EPU参数设计 |
| 3.2 SHINE的偏振控制 |
| 3.2.1 FEL-I束线45°线偏振光辐射 |
| 3.2.2 FEL-II束线高功率圆偏振光辐射 |
| 3.3 本章小结 |
| 第四章 其他偏振控制方法及全相干飞秒圆偏振X射线 |
| 4.1 射频波荡器(RF undulator)设计 |
| 4.1.1 基本原理 |
| 4.1.2 Genesis模拟结果 |
| 4.1.3 基于CST模拟优化腔体结构,并设计耦合器方案 |
| 4.2 Self-seeding硬 X射线的偏振控制 |
| 4.2.1 0.1nm圆偏振光辐射方案 |
| 4.2.2 不同共振波长的兼容性 |
| 4.3 基于fresh-slice的全相干X射线自由电子激光飞秒脉冲产生原理 |
| 4.3.1 飞秒脉冲产生的基本原理与模拟结果 |
| 4.3.2 飞秒脉冲对束流参数的敏感性分析 |
| 4.3.3 二次谐波圆偏光辐射 |
| 4.4 本章小结 |
| 第五章 基于预群聚电子束团的太赫兹源研究 |
| 5.1 太赫兹辐射产生的原理及应用 |
| 5.2 基于预群聚电子束团的太赫兹辐射计算 |
| 5.3 SXFEL-UF的太赫兹辐射参数设计 |
| 5.4 基于非线性等离子体尾场调制的太赫兹辐射能量优化 |
| 5.5 本章小结 |
| 第六章 结论与展望 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
| 作者简历及攻读学位期间发表的论文与研究成果 |
（3）高增益自由电子激光的先进优化算法研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 自由电子激光概论 |
| 1.2 自由电子激光的发展历程与现状 |
| 1.3 自由电子激光主要运行机制 |
| 1.3.1 低增益自由电子激光 |
| 1.3.2 高增益自由电子激光 |
| 1.4 自由电子激光与先进优化算法 |
| 1.4.1 先进优化算法在自由电子激光领域的应用 |
| 1.4.2 使用先进优化算法的技术考量 |
| 1.5 本论文研究内容及创新 |
| 第2章 自由电子激光基本理论 |
| 2.1 自由电子激光的纵向动力学 |
| 2.1.1 电子运动速度与轨迹方程 |
| 2.1.2 能量方程 |
| 2.1.3 相位方程 |
| 2.2 自由电子激光的光场增益 |
| 2.2.1 低增益模式 |
| 2.2.2 高增益模式 |
| 2.3 自由电子激光的主要运行机制 |
| 2.3.1 自放大自发辐射(SASE) |
| 2.3.2 高增益高次谐波产生(HGHG) |
| 2.3.3 回声增强高次谐波产生(EEHG) |
| 2.3.4 相位汇聚增强谐波产生(PEHG) |
| 2.4 自由电子激光的数值模拟简介 |
| 2.5 本章小结 |
| 第3章 高增益自由电子激光的束流轨道准直算法 |
| 3.1 上海软X射线自由电子激光装置简介 |
| 3.2 基于上海软X射线自由电子激光装置的束流准直试验 |
| 3.2.1 基于束流的准直技术的理论基础 |
| 3.2.2 基于束流的准直技术的模拟结果 |
| 3.2.3 基于束流的准直技术的实验研究 |
| 3.3 基于遗传算法的束流准直技术 |
| 3.3.1 基于束流准直技术的理论缺陷 |
| 3.3.2 基于遗传算法的束流准直技术 |
| 3.4 本章小结 |
| 第4章 高增益自由电子激光装置的在线优化算法 |
| 4.1 超快的自由电子激光模拟程序——FALCON |
| 4.1.1 物理模型 |
| 4.1.2 模拟结果举例 |
| 4.1.3 基于上海软X射线自由电子激光装置的在线预测 |
| 4.1.4 FALCON的其他应用 |
| 4.2 上海软X射线自由电子激光装置波荡器调束软件 |
| 4.3 其他优化算法与调束辅助 |
| 4.4 本章小结 |
| 第5章 高增益自由电子激光的脉冲诊断 |
| 5.1 基于偏转腔的超快自由电子激光脉冲单发在线诊断方法 |
| 5.1.1 单发自由电子激光脉冲重构技术 |
| 5.1.2 方法的实验验证 |
| 5.2 基于此方法的级联型自由电子激光的优化 |
| 5.2.1 实验装置设置 |
| 5.2.2 第一级的优化——脉冲分裂与时间带宽积的测量 |
| 5.2.3 两级相关性分析 |
| 5.2.4 第二级的优化——激光-电子束相对到达时间反馈技术 |
| 5.3 本章小结 |
| 第6章 总结与展望 |
| 附录A 论文中部分重要公式的推导 |
| A.1 (2.14)式推导 |
| A.2 共振条件的另一种推导 |
| A.3 HGHG模式群聚因子的推导 |
| A.4 EEHG模式群聚因子的推导 |
| A.5 PEHG模式群聚因子的推导 |
| 附录B 调束软件功能模块及使用说明 |
| 参考文献 |
| 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果 |
| 致谢 |
（4）高亮度微波电子枪及其前沿技术研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| abstract |
| 第一章 引言 |
| 1.1 基于加速器的科学装置 |
| 1.2 高亮度微波电子枪 |
| 1.3 高亮度光阴极电子枪的发展方向 |
| 1.4 论文的主要工作内容及创新点 |
| 第二章 光阴极微波注入器的相关物理 |
| 2.1 射频微波电磁场理论 |
| 2.1.1 谐振腔中的电磁场 |
| 2.1.2 加速结构中的物理量 |
| 2.2 电子束的发射过程 |
| 2.2.1 三步模型 |
| 2.2.2 空间电荷限制 |
| 2.3 发射度与亮度 |
| 2.4 发射度增长与补偿原理 |
| 小结 |
| 第三章 基于冷态电子枪的注入器设计 |
| 3.1 高亮度注入器束流动力学设计 |
| 3.1.1 注入器布局及分析 |
| 3.1.2 多目标优化结果 |
| 3.2 高梯度冷态加速结构 |
| 3.2.1 “打火”现象及抑制 |
| 3.2.2 冷态加速结构 |
| 3.3 冷态电子枪射频结构设计和优化 |
| 3.3.1 冷态电子枪射频结构和参数 |
| 3.3.2 电子枪射频结构优化 |
| 3.3.3 高场问题优化 |
| 3.3.4 耦合器设计和多极模优化 |
| 3.3.5 敏感度分析 |
| 3.3.6 模型腔设计 |
| 小结 |
| 第四章 冷态微波电子枪的低温实验 |
| 4.1 低温恒温系统的设计 |
| 4.2 模型腔低温实验 |
| 4.3 冷态电子枪 |
| 4.3.1 室温下的调谐 |
| 4.3.2 冷态电子枪低温实验 |
| 4.4 低温振动测量 |
| 4.5 高功率测试平台 |
| 小结 |
| 第五章 连续波光阴极电子枪设计及优化 |
| 5.1 电子枪设计考虑 |
| 5.2 电子枪的射频设计 |
| 5.2.1 腔体分析 |
| 5.2.2 腔体优化 |
| 5.2.3 耦合器设计 |
| 5.3 二次电子倍增研究 |
| 5.4 多物理场分析 |
| 小结 |
| 第六章 总结与展望 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
| 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果 |
（5）RF模拟腔及自激励低电平控制系统研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| abstract |
| 第1章 引言 |
| 1.1 研究背景 |
| 1.2 FEL装置中低电平系统研究 |
| 1.2.1 LCLS-II |
| 1.2.2 European XFEL |
| 1.2.3 SXFEL |
| 1.3 课题国内外研究现状 |
| 1.3.1 自激励低电平系统 |
| 1.3.2 RF模拟腔研究 |
| 1.4 研究课题主要内容和创新点 |
| 1.5 小结 |
| 第2章 低电平控制技术介绍 |
| 2.1 低电平控制系统原理 |
| 2.2 噪声分析 |
| 2.3 解调和调制 |
| 2.4 幅度和相位探测 |
| 2.4.1 IQ采样 |
| 2.4.2 Non-IQ采样 |
| 2.4.3 CORDIC算法 |
| 2.5 低电平控制系统分类 |
| 2.5.1 GDR控制系统 |
| 2.5.2 SEL控制系统 |
| 2.5.3 PLL控制系统 |
| 2.6 小结 |
| 第3章 RF腔体模型 |
| 3.1 多馈腔体模型 |
| 3.1.1 稳态方程 |
| 3.1.2 动态方程 |
| 3.2 VHF电子枪模型 |
| 3.2.1 VHF电子枪连续型稳态模型 |
| 3.2.1.1 输入耦合器最佳耦合系数 |
| 3.2.1.2 馈入功率不同的影响 |
| 3.2.1.3 馈入电压相位不同的影响 |
| 3.2.2 VHF电子枪连续型动态模型 |
| 3.2.3 VHF电子枪数字型模型 |
| 3.3 1.3 GHz连续波超导腔模型 |
| 3.3.1 1.3 GHz连续波超导腔连续型模型 |
| 3.3.2 1.3 GHz连续波超导腔数字型模型 |
| 3.4 小结 |
| 第4章 低电平系统建模 |
| 4.1 腔体模型 |
| 4.1.1 前馈模块 |
| 4.1.2 反射模块 |
| 4.1.3 放大器模块 |
| 4.2 控制系统建模研究 |
| 4.2.1 控制器模块 |
| 4.2.2 延时模块 |
| 4.2.3 探测器模块 |
| 4.2.4 稳定性分析 |
| 4.2.4.1 开环系统 |
| 4.2.4.2 闭环系统 |
| 4.2.5 GDR系统仿真模拟 |
| 4.2.6 SEL系统仿真模拟 |
| 4.2.6.1 Free SEL模式 |
| 4.2.6.2 Locked SEL模式 |
| 4.3 小结 |
| 第5章 RF模拟腔及自激励低电平系统的设计和开发 |
| 5.1 VHF电子枪模拟腔及低电平系统的设计和开发 |
| 5.1.1 低电平系统设计 |
| 5.1.2 低电平系统开发 |
| 5.1.3 VHF电子枪数字模拟腔的设计和开发 |
| 5.1.4 仿真结果 |
| 5.2 1.3 GHz连续波超导腔模拟腔及低电平系统的设计和开发 |
| 5.2.1 低电平系统设计 |
| 5.2.2 低电平系统开发 |
| 5.2.3 1.3 GHz连续波超导腔数字模拟腔的设计和开发 |
| 5.3 小结 |
| 第6章 所开发系统在Micro TCA.4 平台上的闭环测试 |
| 6.1 Micro TCA.4 平台 |
| 6.1.1 硬件 |
| 6.1.1.1 Micro TCA.4 机箱 |
| 6.1.1.2 前端变频模块 |
| 6.1.1.3 数字信号处理模块 |
| 6.1.1.4 RF背板总线 |
| 6.1.1.5 本振信号产生系统 |
| 6.1.2 固件 |
| 6.1.3 软件 |
| 6.2 测试平台设计 |
| 6.3 测试结果 |
| 6.4 小结 |
| 第7章 总结和展望 |
| 参考文献 |
| 附录 |
| 致谢 |
| 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果 |
| 基本信息 |
| 研究方向 |
| 教育情况 |
| 研究生期间获奖情况 |
| 研究生期间参加的会议、专业培训及交流 |
| 研究生期间发表的第一作者学术论文 |
（6）X射线自由电子激光试验装置（论文提纲范文）
| 1 引 言 |
| 2 装置总体情况 |
| 2.1 电子直线加速器 |
| 2.2 自由电子激光放大器 |
| 2.2.1 HGHG级联 |
| 2.2.2 EEHG-HGHG级联 |
| 2.2.3 单级高次EEHG |
| 3 直线加速器 |
| 3.1 光阴极注入器 |
| 3.2 主加速器 |
| 3.3 束流诊断与反馈 |
| 3.3.1 纵向参数测量 |
| 3.3.2 横向反馈系统 |
| 3.3.3 纵向反馈系统 |
| 4 自由电子激光放大器 |
| 4.1 波荡器 |
| 4.2 种子激光 |
| 4.3 诊断与反馈 |
| 4.3.1 腔式束流位置测量系统 |
| 4.3.2 基于X波段横向偏转腔的FEL脉冲诊断系统 |
| 4.3.3 X射线高精度谱仪 |
| 5 升级方案 |
| 6 总结与展望 |
（7）基于加速器的带轨道角动量X射线相关探索研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 第1章 引言 |
| 1.1 带轨道角动量(OAM)涡旋光的兴起与应用 |
| 1.1.1 OAM可见光的兴起 |
| 1.1.2 OAM可见光的应用 |
| 1.1.3 XOAM的应用 |
| 1.2 国内外关于OAM产生的研究现状 |
| 1.2.1 OAM可见光的产生 |
| 1.2.2 OAM电子和中子 |
| 1.2.3 XOAM的产生 |
| 1.3 本论文研究目标,结构与创新点 |
| 1.3.1 论文研究目标 |
| 1.3.2 本论文按结构 |
| 1.3.3 本论文的创新点 |
| 第2章 基于加速器产生涡旋光基本物理过程分析 |
| 2.1 螺旋型波荡器谐波产生螺旋光 |
| 2.1.1 螺旋型波荡器谐波产生带OAM光的理论分析 |
| 2.1.2 利用上海同步辐射光源(SSRF)的螺旋型波荡器产生涡旋光 |
| 2.2 自由电子激光物理及其产生OAM的过程 |
| 2.2.1 自由电子激光物理 |
| 2.2.2 FELs产生XOAM基本理论 |
| 第3章 基于上海软X射线自由电子激光装置产生XOAM的方案 |
| 3.1 方案原理设计 |
| 3.1.1 确定满足设计要求的产生X射线涡旋光的方法 |
| 3.1.2 本方案参数的确立 |
| 3.2 基本物理理论过程 |
| 3.3 模拟结果及讨论 |
| 3.3.1 本方案与单独螺旋型波荡器产生涡旋光效果对比 |
| 3.3.2 方案稳定性讨论 |
| 3.4 使用本方案方法产生波长约为2nm的涡旋光 |
| 3.5 knot型波荡器产生辐射光总结 |
| 3.6 本章小结 |
| 第4章 基于激光康普顿散射产生带轨道角动量的X射线方案的研究 |
| 4.1 激光康普顿散射(LCS)原理 |
| 4.1.1 单个光子和电子的康普顿散射原理 |
| 4.1.2 光子束与电子束的康普顿散射原理 |
| 4.2 激光康普顿散射产生涡旋光原理 |
| 4.3 方案设计 |
| 4.3.1 确定设计方案参数 |
| 4.3.2 初步模拟计算结果讨论 |
| 4.3.3 确定基于激光康普顿散射的非线性效应产生带轨道角动量X射线的方案 |
| 4.4 本章小结 |
| 第5章 总结与展望 |
| 5.1 总结 |
| 5.2 展望 |
| 参考文献 |
| 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果 |
| 致谢 |
（8）自由电子激光装置中束流分配切割磁铁的研究与研制（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 1 绪论 |
| 1.1 自由电子激光的发展历史以及国内外现状 |
| 1.2 自由电子激光的主要运行模式与发展方向 |
| 1.2.1 低增益自由电子激光 |
| 1.2.2 高增益自由电子激光 |
| 1.3 自由电子激光的应用前景 |
| 1.4 本论文的研究思路与创新点 |
| 2 自由电子激光基本理论与自由电子激光装置 |
| 2.1 自由电子激光理论 |
| 2.1.1 电子和电磁波的能量交换 |
| 2.1.2 FEL基本方程 |
| 2.1.3 光场方程与增益 |
| 2.2 自由电子激光装置 |
| 2.2.1 加速器 |
| 2.2.2 波荡器 |
| 2.2.3 束流分配系统 |
| 2.3 SHINE装置中的束流分配系统 |
| 2.3.1 SHINE装置介绍 |
| 2.3.2 SHINE装置的束流分配系统设计 |
| 2.4 本章小结 |
| 3 切割磁铁的设计 |
| 3.1 切割磁铁 |
| 3.1.1 切割磁铁的发展与特点 |
| 3.1.2 Lambertson型切割磁铁的发展与现有设计 |
| 3.2 切割磁铁设计中的相关理论 |
| 3.3 SHINE装置束流分配段Lambertson型切割磁铁的设计 |
| 3.3.1 Lambertson磁铁的物理设计 |
| 3.3.2 Lambertson磁铁的模型模拟与优化 |
| 3.3.2.1 Lambertson磁铁的二维模拟 |
| 3.3.2.2 Lambertson磁铁的三维模拟 |
| 3.3.3 Lambertson磁铁的部件加工、安装与磁场测量 |
| 3.4 本章小结 |
| 4 Lambertson型切割磁铁中的设计难点的解决新方法研究 |
| 4.1 提高Lambertson型切割磁铁主场区内磁场均匀性的新方法 |
| 4.1.1 模型建立与模拟 |
| 4.1.2 Lambertson磁铁下极头加孔的模型设计与模拟 |
| 4.1.3 两孔间距的模拟验证 |
| 4.1.4 孔深度的模拟验证 |
| 4.1.5 两孔尺寸的模拟验证 |
| 4.2 Lambertson型切割磁铁无场区内漏场降低为零的新方法 |
| 4.2.1 Lambertson型切割磁铁的基础设计 |
| 4.2.2 无场区内添加线圈的模型以及模拟 |
| 4.2.3 对称型Lambertson磁铁 |
| 4.2.4 非对称型Lambertson磁铁 |
| 4.2.5 三维模型验证 |
| 4.3 本章小结 |
| 5 总结与展望 |
| 参考文献 |
| 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果 |
| 致谢 |
（9）高时空分辨高能电子成像与电子衍射研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| abstract |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 利用电子探针进行物质探测的方法简介 |
| 1.2 高能电子成像简介 |
| 1.3 兆电子伏超快电子衍射与电子成像 |
| 1.4 论文工作的主要内容与创新点 |
| 1.4.1 论文工作的主要内容 |
| 1.4.2 论文工作的创新点 |
| 第2章 高能电子成像与衍射物理 |
| 2.1 电子成像物理分析 |
| 2.1.1 电子穿透样品 |
| 2.1.2 束流光学系统 |
| 2.1.3 电子探测系统 |
| 2.1.4 空间分辨能力 |
| 2.2 电子衍射的物理分析 |
| 2.2.1 布拉格衍射 |
| 2.2.2 劳厄衍射 |
| 2.2.3 时空分辨电子衍射 |
| 2.3 成像及衍射对高品质电子探针的需求 |
| 2.4 束流光学设计方法 |
| 2.4.1 电子成像束流光学设计 |
| 2.4.2 电子衍射束流光学设计 |
| 2.5 本章小结 |
| 第3章 基于常规电磁透镜的高能电子成像实验 |
| 3.1 高能电子成像实验研究背景 |
| 3.2 实验装置 |
| 3.2.1 加速器实验平台 |
| 3.2.2 成像光学系统 |
| 3.2.3 实验样品 |
| 3.2.4 成像信号探测系统 |
| 3.3 实验结果及分析 |
| 3.3.1 成像系统分辨率标定 |
| 3.3.2 厚靶成像以及厚度分辨 |
| 3.3.3 暗场成像 |
| 3.4 本章小结 |
| 第4章 基于高梯度永磁四极透镜的电子成像实验 |
| 4.1 成像透镜长度与磁铁梯度定标律 |
| 4.2 基于PMQ的级联放大高能电子成像系统 |
| 4.2.1 PMQ的设计、制造与测量 |
| 4.2.2 级联放大成像的电子光学设计 |
| 4.2.3 成像过程的动力学模拟 |
| 4.3 级联放大成像实验 |
| 4.3.1 实验布局 |
| 4.3.2 静态成像结果 |
| 4.4 基于泵浦-探测方案的动态成像实验 |
| 4.4.1 动态成像实验布局 |
| 4.4.2 时间零点的确定 |
| 4.4.3 金属网格的融化过程成像 |
| 4.5 面向超高时空分辨的CHEER系统 |
| 100 放大倍数的CHEER实验'>4.6 >100 放大倍数的CHEER实验 |
| 4.6.1 大放大比成像实验设计 |
| 4.6.2 大放大比成像实验布局 |
| 4.6.3 实验结果分析 |
| 4.7 本章小结 |
| 第5章 兆电子伏超快电子衍射 |
| 5.1 清华UED装置 |
| 5.1.1 百飞秒电子探针 |
| 5.1.2 百飞秒电子束到达时间抖动 |
| 5.1.3 微米量级电子束斑 |
| 5.1.4 UED平台整体设计与实现 |
| 5.1.5 平台后续工作计划 |
| 5.2 高重频飞秒UED束线 |
| 5.2.1 束线设计 |
| 5.2.2 电子源 |
| 5.2.3 发射度和束团尺寸优化 |
| 5.2.4 纵向聚焦以及时间分辨率 |
| 5.3 本章小结 |
| 第6章 总结与展望 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
| 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果 |
（10）基于束流操控的超快双色X射线自由电子激光研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 自由电子激光的发展历史及现状 |
| 1.2 自由电子激光的主要运行机制 |
| 1.2.1 低增益自由电子激光 |
| 1.2.2 高增益自由电子激光 |
| 1.3 自由电子激光的特点、应用与发展前景 |
| 1.4 本论文的研究内容与创新点 |
| 第2章 自由电子激光基本理论与束流操控基本方法 |
| 2.1 初步概念 |
| 2.1.1 电子束流 |
| 2.1.2 直线加速器 |
| 2.2 自由电子激光基本理论 |
| 2.2.1 电子在波荡器中的运动 |
| 2.2.2 低增益自由电子激光 |
| 2.2.3 高增益自由电子激光 |
| 2.2.4 自由电子激光主要运行模式 |
| 2.3 激光束流操控的基本原理和方法 |
| 2.4 自由电子激光数值模拟方法 |
| 2.5 本章小结 |
| 第3章 基于束流操控的PEHG-FEL研究 |
| 3.1 横向梯度波荡器简介 |
| 3.2 相位汇聚增强型自由电子激光理论研究 |
| 3.3 基于SXFEL的PEHG-FEL实验设计 |
| 3.4 本章小结 |
| 第4章 基于束流操控的超快、双色、锁模FEL研究 |
| 4.1 基于束流操控的超快自由电子激光研究 |
| 4.1.1 超快X射线自由电子激光的意义 |
| 4.1.2 基于角色散增强SASE产生超快XFEL的新方案 |
| 4.1.3 新方案的参数优化、束流模拟和FEL辐射研究 |
| 4.2 基于束流操控的双色、锁模自由电子激光研究 |
| 4.2.1 基于束流操控的SXFEL双色自由电子激光研究 |
| 4.2.2 基于束流操控的多色锁模FEL研究 |
| 4.3 本章小结 |
| 第5章 总结与展望 |
| 参考文献 |
| 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果 |
| 致谢 |
四、上海宽波段自由电子激光用户装置高亮度注入器的微波系统（论文参考文献）
- [1]高重复频率自由电子激光的新机制研究[D]. 颜佳伟. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所), 2021(01)
- [2]X射线自由电子激光偏振控制的理论和实验研究[D]. 高张峰. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所), 2021(01)
- [3]高增益自由电子激光的先进优化算法研究[D]. 曾理. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所), 2021
- [4]高亮度微波电子枪及其前沿技术研究[D]. 王程. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所), 2021(01)
- [5]RF模拟腔及自激励低电平控制系统研究[D]. 刘奎. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所), 2021(01)
- [6]X射线自由电子激光试验装置[J]. 赵振堂,王东,殷立新,方国平,顾强,谷鸣,冷用斌,刘波,周巧根,沈立人,张猛,邓海啸,陈家华,陈建辉,陈志豪,丁建国,方文程,冯超,谷端,胡晓,黄大章,黄毛毛,蒋志强,李宾,林国强,刘以勇,孙森,王光宏,王兴涛,王震,吴衍青,俞路阳,袁启兵,张伟,钟少鹏,夏晓彬,唐传祥,黄文会,杜应超,颜立新. 光学学报, 2021(01)
- [7]基于加速器的带轨道角动量X射线相关探索研究[D]. 耿和平. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所), 2020(01)
- [8]自由电子激光装置中束流分配切割磁铁的研究与研制[D]. 赵荣杰. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所), 2020(01)
- [9]高时空分辨高能电子成像与电子衍射研究[D]. 周征. 清华大学, 2019(01)
- [10]基于束流操控的超快双色X射线自由电子激光研究[D]. 齐争. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所), 2019(07)