4-47  远红外FEL摇摆器的改进及调试

黎维华  余  虹  王  远  邓德荣

摇摆器是相对论性电子束与光场相互作用的区域，在FEL研究中起着至关重要的作用。在电子束品质（能散、发射度、流强等）一定的情况下，摇摆器的性能参数，如峰值场强、峰峰值误差、好场区大小等就基本决定了FEL增益。中物院远红外FEL摇摆器由于受使用寿命及国内加工水平不够等因素影响，其整体性能在使用3年后发生了较大变化，已不能再满足下一阶段FEL受激辐射研究的需要。概括起来有以下5点：峰值场强的设计值为0.3000 T，研制完成时的实际值约为0.2900 T，现已下降至0.27 T。峰值场强的下降不但会引起总体设计波长的漂移，而且会导致FEL小信号增益的下降；研制完成时的峰峰值误差为1.4%，现在的最好状态为2.5%。峰峰值误差过大将导致FEL谱线展宽，从而进一步引起小信号增益的下降，严重时将不能起振；该摇摆器的周期误差较大，约1.2%，主要原因是当时加工水平不够及磁极变形造成的。周期误差对FEL增益的影响可以与峰峰值误差等效；该摇摆器的好场区很小，几乎为零。而远红外FEL受激辐射研究所需要的好场区约11mm；用单电子模拟的小信号增益约为理想增益的60%，针对像远红外FEL这样长波长的FEL装置，一般来说损耗都较大，因此要求小信号增益比较高，至少要达到理想增益的85%以上。

针对以上的变化，并对该摇摆器进行了改造：(1) 提高摇摆器的稳定性。选用NdFeB材料作为激励源，当NdFeB在200~800℃的退磁曲线都为直线，不存在膝点，因此不会产生永久不可逆退磁；同时，由于N39SH型的NdFeB内秉矫顽力很高，约为20 kOe(1Oe»79.578 A/m)，所以减小了辐射和外磁场退磁可能性。(2) 提高峰值场强。在摇摆器间隙g不变的前提下，增大摇摆器周期l_W；同时将磁极与磁块尺寸(L，W，H)从原来的80 mm×6 mm×35 mm，77 mm×9 mm×35 mm改为80 mm×5 mm×35 mm，77 mm×11 mm×35 mm，W为束线方向。

改造及调试的初步结果如下：（1）取l_W =32 mm，g=16 mm，B_r=1.28 T，利用3D程序模拟的中心束线峰值场强为0.346 T。考虑到了机械误差和调试误差等因素的影响，实际可以实现的峰值场强只能维持在大于0.3 T的水平。（2）利用编写的磁块优化组合程序完成了磁块优化组合工作：峰峰值误差小于1%，中心点左右间隔15 mm对称点的偏差小于5%。结合以前调试摇摆器的经验，调试结果：可以实现小于1%的峰值误差和约10 mm的好场区。