X射线自由电子激光振荡器的理论研究

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1、＿狀／ｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ硕士学位论文Ｘ射线自由电子激光振荡器的理论研究作者姓名：李§１指导教师：邓海啸研究Ｂ中国科学院上海应用物理研究所学位类别：工学硕士学科专业：核技术及应用：中国科学院上海应用物理研究所培养单位２０１８年６月Ｔｈｅｈｅｏｒｅｉｃａｌｓｄｙｏｆ－－ｔｔｔｕＸｒａｖｆｒｅｅｅｌｅｃｔｒｏｎｌａｓｅｒｏｓｃｉｌｌａｔｏｒＡｔｈｅｓｉｓｓｕｂｍｉｔｔｅｄｔｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｏｆ

2、ＳｃｉｅｎｃｅｓｙｉｎａｒｔｉａｌｆｕｌｆｉｌｌｍｅｎｔｏｆｔｈｅｒｅｕｉｒｅｍｅｎｔｐｑｆｏｒｔｈｅｄｅｇｒｅｅｏｆＭａｓｔｅｒｏｆＳｃｉｅｎｃｅｉｎＥｎｉｎｅｅｒｉｎｇｇｉｎＮｕｃｌｅａｒｔｅｃｈｎｏｌｏａｎｄａｌｉｃａｔｉｏｎｇｙｐｐＢｙＫａｉＬｉＳｕｅｒｖｉｓｏｒ：ＰｒｏｆｅｓｓｏｒＨａｉｘｉａｏＤｅｎｐｇＳｈａｎｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｌｉｅｄｈｓｉｃｓｇｐｐｐｙＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓｙＪｕｎｅ２０１８学位论文版权使用授权书本人完全了解中国科学

3、院大学有关保留、使用学位论文的即：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版规定，并提供，目录检索与阅览服务；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印。、缩印、数字化或其它复制手段保存学位论文本人同意《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》出版章程的内容，愿意将学位论文提交《中国学术期刊（光盘版）》“电子杂志社编入ＣＮＫＩ学位论文全文数据库并充实到学位论，文学术不端行为检测系统”比对资源库同意按章程规定享受，相关权益。保密论文在解密后遵守此规定。论文作者签名：ｆ指导教师签名：＾Ｉ曰期：ｖｏｄ年ｔ月〇曰中国科学院大学研究生学位论文原创性声明

4、本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研宄工作所取得的成果。尽我所知，除文中己经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研宄成果。对论文所涉及的研宄工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确方式标明或致谢。作者签名：曰期：ｒ〇ｉ＾，ｎ摘要摘要自上世纪初Ｘ射线被发现以来，它就以其在生物、物理、化学和医学上的巨Ｘ。大用途而受到广泛的关注，人们通过各种方法来产生射线并提高它的亮度２００９ＬＣＬＳ一年第次产生硬Ｘ射线自由电子激光（ＸＦＥＬ）标志着人类进入了Ｘ射线激光时代。ＬＣＬＳ的巨大成功激励着

5、世界各国争前恐后的建设自己的Ｘ射线ＦＥＬ装置。ＬＣＬＳ采用的自放大自发辐射（ＳＡＳＥ）的运行模拟，它起源于电子束的噪声。其输出具有很好的横向相干性，但其纵向相干性和稳定性较差，如何提ＡＥ一高ＳＳ输出的性能直是ＦＥＬ研宄的重要问题。本论文中主要研宄的Ｘ射线ＦＥＬ振ＸＦＥＬＯ一荡器（）就是解决这个问题的重要方案之，它可以输出峰值亮度与ＳＡＳＥ可比、全相干、稳定的硬Ｘ射线。由于ＸＦＥＬＯ对试验条件要求较高，目前它还没有得到实验的验证。ＸＦＥＬＯ涉及到Ｘ射线的Ｂｒａｇｇ衍射、Ｘ射线在谐振腔内的传播和饱和区的ＦＥＬ物理，其物理过程相对高增益ＦＥＬ更为复杂，难以从理论上

6、得到完整的解析。现在世界上流行的方法是利用数值模拟来分析，本文我们从理论分析和数值模拟角度对一一ＸＦＥＬＯ进行的研。ＸＦＥＬＯ宄在理论分析上，本文建立了个维的模型，通过将高增益ＦＥＬ中的电子束相空间分布函数引入低增益，可以通过解微分方程的方法理论上得到振荡器在饱和区的ＦＥＬ增益。该方法将模拟时间由数星期降到了几分钟。在数值模拟上，我们利用Ｘ射线Ｂｒａｇｇ衍射的动力学理论，开发了首个可以进行三维Ｘ射线Ｂｒａｇｇ衍射的程序。该程序可以与Ｇｅｎｅｓｉｓ和ＯＰＣ紧密结合，实现ＸＦＥＬＯ的三维数值模拟。由于考虑到了三维光场的相位分布，该程序的出现将有利于对ＸＦＥＬＯ光

7、学谐振腔稳定性的模拟，得到更加真实可信的模拟结果。利用该系列模拟软件的结合，我们对基于上海相干光源的ＸＦＥＬＯ进行了系统的优化与设计，该方案和设计流程对世界上其他ＦＥＬ装置上的ＸＦＥＬＯ设计具有参考价值。为了提髙ＸＦＥＬＯ的性能，充分挖掘其性能，本文试图将高增益ＦＥＬ中已经相对成熟的技术和概念引进低增益ＦＥＬ振荡器中。由于ＸＦＥＬＯ工作在ＦＥＬ的低增益区间，电子束单次提供的增益较小。为了提高其电子