自由电子激光相干强太赫兹源装置鬼脉冲初步研究-论文.pdf

《自由电子激光相干强太赫兹源装置鬼脉冲初步研究-论文.pdf》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２６卷第３期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．３２０１４年３月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＭａｒ．，２０１４自由电子激光相干强太赫兹源装置鬼脉冲初步研究吴岱１，２，肖德鑫２，代志力２，李鹏２，李凯２，刘宇２（１．清华大学工程物理系，北京１０００８４；２．中国工程物理研究院应用电子学研究所，四川绵阳６２１９００）摘要：研究中国工程物理研究院自由电子激光相干强太赫兹源（ＦＥＬＴＨｚ）装置上鬼脉冲产生的原因及其对装置调试测量的影响，通过束流动力学模拟、热分析、蒙特卡罗模拟以及初步实验结果分析，证明了鬼脉

2、冲将会明显破坏阻拦型测量，并会在束线管道上造成温度升高和辐射强度增大。研究表明：鬼脉冲成为限制ＦＥＬＴＨｚ装置正常工作的重要原因，为保证ＦＥＬＴＨｚ顺利出光，鬼脉冲必须予以消除，并简要讨论了鬼脉冲的消除方法。关键词：自由电子激光；太赫兹源；鬼脉冲；电子束壁损失；热效应；辐射防护中图分类号：ＴＬ５３文献标志码：Ａ犱狅犻：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１４２６．０３３１０２［１２］自由电子激光相干强太赫兹源（ＦＥＬＴＨｚ）是以高重复频率电子束驱动的大型科学仪器设备，其电子束需要具有准连续、ｐｓ量级长度、低发射度、高亮度等特点。为保

3、证ＦＥＬＴＨｚ运行，对装置中电子束参数的测［３４］［５］量和诊断是必不可少的环节。常见的电子束测量方法大多为阻拦型测量，如渡越辐射、契伦柯夫辐射以［６］及条纹相机等方法，需要使装置工作在宏脉冲状态进行调试测量，待装置运行稳定后方可满功率运行。由于宏脉冲中的微脉冲与连续状态下的微脉冲性质相同，因此该方法被认为是最为切实可行的加速器调试方法。鬼脉冲是指在宏脉冲状态下，由于驱动激光器消光比不能做到理想状态，因此在宏脉冲以外，还存在的一定数量的微脉冲，这些微脉冲在光阴极同样会产生电子束团，且占空比远高于宏脉冲，这些电子束团轰击到阻拦型探测

4、靶上，可能会引起阴极附近真空度下降进而影响阴极寿命，也可能淹没宏脉冲测量结果，破坏测量装［７］置，因此必须予以消除。目前国际上消除鬼脉冲的研究仅仅出现在ＪＬａｂ的研究中，而关于鬼脉冲影响的研究较少。本文拟讨论ＦＥＬＴＨｚ装置中鬼脉冲产生的原因，通过束流动力学模拟、热分析、蒙特卡罗中子输运程序（ＭＣＮＰ）模拟及初步实验结果分析，讨论其影响，并提出简单的消除方法。１鬼脉冲产生原理［８］图１为宏脉冲工作模式下的鬼脉冲示意图，鬼脉冲的主要形成原因是驱动激光器选单工作状态消光比［９］过低。驱动激光器选单由电光开关完成，其工作原理如图２所示。电

5、光开关最主要的工作器件为ＲｂＴｉＯ［１０］ＰＯ４晶体（ＲＴＰ）、λ／２波片和偏振分光棱镜。在进入ＲＴＰ晶体前，激光为水平线偏振光，经过ＲＴＰ晶体后，如果不加高压，激光会变为垂直偏振光，再经过λ／２波片后再次变为水平偏振光，经过偏振分光棱镜后输出；当Ｆｉｇ．１ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｇｈｏｓｔｐｕｌｓｅｓＦｉｇ．２ＲＴＰｅｌｅｃｔｒｏｏｐｔｉｃａｌｓｗｉｔｃｈ图１鬼脉冲示意图图２ＲＴＰ电光开关收稿日期：２０１３０７１８；修订日期：２０１３１２１０基金项目：国家重大科学仪器设备开发专项（２０１１ＹＱ１３００１８）

6、；中国工程物理研究院发展基金项目（２０１１Ｂ０４０２０７０）；国家自然科学基金项目（１１３０５１６５）作者简介：吴岱（１９８６－），男，博士研究生，主要从事高亮度电子束诊断及应用方面的研究；ｗｕｄａｉ０４＠１６３．ｃｏｍ。０３３１０２１强激光与粒子束ＲＴＰ晶体两端加上高压后，激光经过晶体时将维持为水平偏振光，再经过λ／２波片后变为竖直偏振光，经过分光棱镜后被垃圾桶吸收。当高压为具有一定时序的方波时，没有加高压的部分就会以宏脉冲的形式输出激光。由于实际光学器件中存在分光消光比不理想的情况，一般情况大约为１００∶１，因此在宏脉冲状态下留

7、下了鬼脉冲，鬼脉冲幅度约为宏脉冲１％，但占空比却远高于宏脉冲。２鬼脉冲的影响２．１束流动力学模拟［１１］为研究鬼脉冲横向尺寸带来的影响，采用Ｐａｒｍｅｌａ模拟了ＦＥＬＴＨｚ上鬼脉冲与宏脉冲束团的束流动力学，其结果如图３（ａ）所示。图中“ｍａｃｒｏｐｕｌｓｅｓ”指宏脉冲电子束优化后的横向尺寸变化，“ｇｈｏｓｔｐｕｌｓｅｓ”指此时的鬼脉冲横向尺寸变化。模拟中宏脉冲中的微束团电荷量设为１００ｐＣ，电光开关消光比考虑为１００∶１，采用３００００个宏粒子，模拟过程从阴极到摇摆器出口，并考虑了加速器以及电子束在摇摆器中自发辐射的影响，其中狓方向

8、指水平方向，狔方向指垂直方向，横向尺寸按照Ｐａｒｍｅｌａ选用均方根（ＲＭＳ）尺寸。Ｆｉｇ．３Ｐａｒｍｅｌａｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｂｅａｍｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓｏｆｇｈｏｓｔｐｕｌｓｅｓ图３Ｐａｒｍｅｌ