上海深紫外自由电子激光装置电子束非线性补偿研究取得重要进展

中国科学院上海应用物理研究所自由电子激光团队于近日完成了一项新的自由电子激光实验，在上海深紫外自由电子激光装置（SDUV-FEL）上，利用相对论电子束团在沟槽金属结构中激起的尾场，对电子束纵向相空间的非线性进行了补偿，并成功实现了自由电子激光辐射光谱的操控和改善。该项研究成果近日发表在《物理评论快报》（Haixiao Deng et al., Phys. Rev. Lett. 113(2014) 254802）。

作为第四代先进光源，自由电子激光由高亮度电子束团驱动，然而由于微波电场加速和束团长度压缩，直线加速器产生的电子能量在束团纵向尺度上不可避免地呈非均匀分布。电子束团的这种不均匀性，将减缓自由电子激光增益，并破坏其纵向相干性。因此在短波长自由电子激光装置中，人们提出了偏峰加速和高次谐波结构两种方法，来分别补偿电子束团纵向相空间的线性和非线性变化。

2012年，美国SLAC实验室的K. Bane和G. Stupakov提出了金属沟槽结构补偿电子束团能量的概念（Nucl. Instr. Meth. A 690 (2012) 106），束流在经过沟槽结构时激起尾波场，可以补偿电子束团纵向相空间的线性耦合。相对于其他方法，沟槽结构由于其简单、被动性、高性价比等特点，得到了国际加速器界的高度关注。2013年，美国SLAC和LBNL实验室的科学家通力合作，在韩国PAL实验室70Mev直线加速器上，成功地利用沟槽结构补偿了电子束团纵向相空间的线性耦合（Phys. Rev. Lett.112(2014)034801）。

2012年，上海应用物理研究所自由电子激光团队研究发现，通过匹配金属沟槽结构参数，也能补偿电子束团纵向相空间的非线性耦合（Qiang Gu et al., Proceedings of LINAC2012, Tel-Aviv, Israel, 525-527）。2013年，自由电子激光团队提出在SDUV-FEL开展电子束团非线性补偿的实验方案，并经过一年的努力，将金属沟槽真空腔等硬件集成到了SDUV-FEL。2014年04月，经过精心调试，研究人员利用金属沟槽结构，成功地补偿了电子束团纵向相空间的非线性耦合，同时完成了自由电子激光辐射光谱改善和电子束团能散降低的测量。这是国际上首次将金属沟槽结构运行在自由电子激光装置中。

金属沟槽结构在SDUV-FEL的成功实验运行，对当前及未来自由电子激光等大科学装置的发展具有重要的实际意义并且产生深远的影响。目前，国际上，美国SLAC实验室已经准备将金属沟槽结构应用到其X射线FEL用户装置中；在国内，金属沟槽结构有望在建设中的大连相干光源、上海软X射线自由电子激光、以及上海交通大学超快电子透镜等装置中得到应用。本项研究得到了国家自然科学基金委、国家科技部“973”项目和中国科学院的资助支持。（自由电子激光技术部供稿）

文章链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.113.254802

电子束团通过金属沟槽结构时，纵向相空间的非线性被尾波场补偿

电子束团在金属沟槽结构中激起的纵向尾波场