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《用于自由电子激光的光学速调管的设计与测试》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第13卷 第2期强激光与粒子束Vol.13,No.22001年3月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSMar.,2001文章编号:1001—4322(2001)02—0164—05X用于自由电子激光的光学速调管的设计与测试1111111李 格, 王 勇, 刘金英, 刁操政, 徐宏亮, 何多慧, 贾启卡,112222卢盛宽, 姚成贵, 马佑梧, 刘 波, 张兆明, 吕玉珠(1.中国科学技术大学国家同步辐射实验室,安徽合肥230026;2.中国原子能科学研究院,北京102413) 摘 要:详述了用于合肥自由电子激光用的光学速调
2、管的物理设计与测试,以及光学速调管实际运行结果与升级计划。测试结果表明,考虑三维效应的OPERA3D场有限元计算法比解析设计更精确,多周期波荡器中任意周期磁场峰值受该周期外其它周期波荡器磁体的影响小于10%。 关键词:自由电子激光; 光学速调管; 三维磁场有限元计算;Hall探头测试 中图分类号:TN122文献标识码:A[1] 自由电子激光(FEL)比同步辐射具有更加优异的辐射特性,被视为最有希望的第四代光源,相干[2]谐波辐射是产生短波长FEL最有效、最现实的途径。为验证相干谐波辐射自由电子激光原理并用之于发展新一代的光源技术,本文给出了光
3、学速调管的一维设计、三维磁场的有限元计算,研制了光学速[3～5]调管并在该装置上完成了光学速调管自发辐射实验,这为即将进行的相干谐波辐射自由电子激光[6,7]实验打下基础。 光学速调管由三段独立可调的波荡器(即调制段、色散段和辐射段)组成,分别位于光学速调管前后两端的调制段和辐射段结构相同,处于这两段之间的色散段被设计成单周期较长结构。该光学速调管已插入合肥800MeV电子储存环的第三直线节,第三直线节两法兰间距离3072.2mm,一长2672.2mm、横向尺寸为32mm×86mm的方截面超高真空室用波纹管与两端法兰连接起来,储存环电子束和从开窗
4、弯段注入的种子激光在调制段波荡器作用下进行能量调制,调制后电子束在色散Fig.1Theopticalklystronconfiguration段磁场作用下进行群聚,群聚后电子束在辐射段发生辐图1 光学速调管原理图射,辐射光从正前方开窗弯段引出。 光学速调管磁体结构的三维模型如图1所示,场一次积分与二次积分的调零,采用微调每部分两端的半块小磁块与矽钢片垫补的方法。1 光学速调管物理设计1.1 波荡器辐射波长与共振电子能量[8] 波荡器辐射的波长为2K0k22K=2(1++CH),i=1,2,3(1)2iC2这里,K0为周期;H为相对于波荡器的观察
5、角;i为谐波数;C为电子的相对论因子;k=0.934(B0öT)·(K0öcm),为波荡器的磁偏转系数。由(1)式可求得与波荡器基波共振电子的能量2CK0kEöMeV==0.51(1+)(2)1.9572K2X收稿日期:2000211206;修订日期:2000212222基金项目:国家863激光技术领域资助课题(86324102228);‘211’工程、高校博士点(97035822)等项目资助课题作者简介:李 格(19662),男,博士,副研,研究方向为插入元件与自由电子激光、电磁装置及控制;合肥6022信箱。©1995-2005TsinghuaT
6、ongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.第2期李 格等:用于自由电子激光的光学速调管的设计与测试1651.2 磁场解析计算(1)多周期波荡器磁场 磁体的磁铁宽度为l00mm,而电子在其中的横向摆动距离只有几个mm,因此磁场空间分布的计算[9]可简化为二维问题,其磁场垂直分量By峰值大小为2Brsin(EPöM)-2PhöK-PgöKBy=(1-e0)e0(3)PöM式中,Br为剩磁;M为每周期磁块数;h为磁块高度;g为磁间隙,g=4höK0;E为填充因子。(2)单周期波荡器磁场 对中间色散段单周期
7、波荡器磁场,其垂直分量B(z)大小为Bd3P5PB(z)=[cos(z)+cos(z)],-(3ö4)Kw≤z≤(3ö4)Kw(4)22Kd2Kd2ksBrsin(EPöM)-2PhöK-2PgöK式中,Bd=(1-ew)ew为磁场垂直分量B(z)的峰值,Kw为周期,ks=0.9为单PöM周期波荡器峰值修正系数。 为了使磁块优化组合时选择余地大,我们取M=4;为了保持同步辐射波荡器三段之间对接时的接口处周期磁场保持平滑过度,一、二段间与二、三段间留有12mm距离。波荡器的最大磁场误差是由于各段的磁间隙误差,根据磁极的平行度允差0.05mm,由(1
8、)式可计算出最大的磁场相对误差为:磁体间[1]隙为25mm时,($B0öB0)max=1.787%满足波荡器同步辐射的要求
