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RSS2022年 34卷 第10期
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2022, 34: 104001.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220047
2022, 34: 104008.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220108
2022, 34: 104014.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220075
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2022, 34: 104001.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220047
摘要:
基于电子储存环的同步辐射具有稳定性高、光子能量范围广、支持多用户等优势，但其辐射相干性较差。在储存环上实现相干辐射不但可以大幅提高辐射光的相干性，同时还可以极大地提高特定频谱范围内的光通量、亮度和能量分辨率。随着光通量的提高，其功率有可能达到工业应用的水平，这将拓展光源的应用范围。回顾了基于电子束储存环的各类相干光源的发展历史，并展望其发展趋势。
基于电子储存环的同步辐射具有稳定性高、光子能量范围广、支持多用户等优势，但其辐射相干性较差。在储存环上实现相干辐射不但可以大幅提高辐射光的相干性，同时还可以极大地提高特定频谱范围内的光通量、亮度和能量分辨率。随着光通量的提高，其功率有可能达到工业应用的水平，这将拓展光源的应用范围。回顾了基于电子束储存环的各类相干光源的发展历史，并展望其发展趋势。
2022, 34: 104002.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220080
摘要:
基于多弯铁消色散结构的超低发射度储存环光源是新一代同步辐射光源发展的一个重要方向。作为国内第一台第四代同步辐射光源，高能同步辐射光源已经完成物理及工程设计，并于2019年启动建设。高能同步辐射光源电子能量6 GeV，流强200 mA，水平自然发射度低于60 pm∙rad，可提供能量达300 keV的X射线，在典型硬X射线波段的同步辐射亮度达1×1022 phs·s−1·mm−2·mrad−2·（0.1%bw）−1，可为材料科学、化学工程、能源环境、生物医学、航空航天、能源环境等众多基础和工程科学研究领域提供先进的实验平台。本文将介绍高能同步辐射光源项目的整体方案及物理设计。
基于多弯铁消色散结构的超低发射度储存环光源是新一代同步辐射光源发展的一个重要方向。作为国内第一台第四代同步辐射光源，高能同步辐射光源已经完成物理及工程设计，并于2019年启动建设。高能同步辐射光源电子能量6 GeV，流强200 mA，水平自然发射度低于60 pm∙rad，可提供能量达300 keV的X射线，在典型硬X射线波段的同步辐射亮度达1×1022 phs·s−1·mm−2·mrad−2·（0.1%bw）−1，可为材料科学、化学工程、能源环境、生物医学、航空航天、能源环境等众多基础和工程科学研究领域提供先进的实验平台。本文将介绍高能同步辐射光源项目的整体方案及物理设计。
2022, 34: 104003.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220137
摘要:
我国最近立项建设的合肥先进光源将是一台软X射线与真空紫外衍射极限储存环光源，其电子束能量为2.2 GeV，周长为480 m，束流自然发射度为86 pm·rad，共有20个长直线节和20个短直线节。介绍了目前合肥先进光源储存环物理设计的进展情况，包括磁聚焦结构设计与优化，束流注入和集体效应的模拟与计算。
我国最近立项建设的合肥先进光源将是一台软X射线与真空紫外衍射极限储存环光源，其电子束能量为2.2 GeV，周长为480 m，束流自然发射度为86 pm·rad，共有20个长直线节和20个短直线节。介绍了目前合肥先进光源储存环物理设计的进展情况，包括磁聚焦结构设计与优化，束流注入和集体效应的模拟与计算。
2022, 34: 104004.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220136
摘要:
近十年来，世界上开始大力发展第四代同步辐射光源——衍射极限储存环光源。目前我国正在建设或立项建设两台第四代同步辐射光源：高能同步辐射光源和合肥先进光源。从储存环磁聚焦结构设计与优化、束流注入与集体效应等方面，对第四代同步辐射光源的物理设计与优化进行了介绍；对国际范围内第四代储存环光源装置的研制情况进行了介绍。
近十年来，世界上开始大力发展第四代同步辐射光源——衍射极限储存环光源。目前我国正在建设或立项建设两台第四代同步辐射光源：高能同步辐射光源和合肥先进光源。从储存环磁聚焦结构设计与优化、束流注入与集体效应等方面，对第四代同步辐射光源的物理设计与优化进行了介绍；对国际范围内第四代储存环光源装置的研制情况进行了介绍。
2022, 34: 104005.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220140
摘要:
合肥先进光源（HALF）是我国规划建设的软X射线与VUV衍射极限储存环光源（DLSR）。如何有效地实现衍射极限束流发射度，是DLSR物理设计中的核心问题之一。基于束流发射度演化方程，针对HALF预研项目的储存环物理设计方案，计算了束内散射（IBS）效应带来的发射度增长，研究了DLSR中关键参数选择对IBS造成的发射度增长的影响。研究表明，在中低能DLSR物理设计中需要综合考虑储存环的周长、同步辐射阻尼时间等关键参数，以更好地抑制束流发射度的增长。在此研究基础上，通过综合考虑用户需求与储存环物理要求，提出了HALF当前工程项目的储存环物理设计方案。进一步综合应用束团拉伸、全耦合等措施后，更高效地抑制了HALF储存环内IBS造成的束流发射度增长。
合肥先进光源（HALF）是我国规划建设的软X射线与VUV衍射极限储存环光源（DLSR）。如何有效地实现衍射极限束流发射度，是DLSR物理设计中的核心问题之一。基于束流发射度演化方程，针对HALF预研项目的储存环物理设计方案，计算了束内散射（IBS）效应带来的发射度增长，研究了DLSR中关键参数选择对IBS造成的发射度增长的影响。研究表明，在中低能DLSR物理设计中需要综合考虑储存环的周长、同步辐射阻尼时间等关键参数，以更好地抑制束流发射度的增长。在此研究基础上，通过综合考虑用户需求与储存环物理要求，提出了HALF当前工程项目的储存环物理设计方案。进一步综合应用束团拉伸、全耦合等措施后，更高效地抑制了HALF储存环内IBS造成的束流发射度增长。
2022, 34: 104006.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220122
摘要:
在科学技术新需求的推动下，同步辐射光源持续往前发展。目前，同步辐射装置发展已历经三代，正处于第四代同步辐射光源蓬勃发展阶段。基于衍射极限储存环的同步辐射装置是第四代同步辐射光源的典型代表之一。第四代同步辐射光源主要发展趋势是进一步减小电子束流发射度，使光源具有极好的横向相干性，以及产生圆截面辐射的能力。如果束流发射度降至光学衍射极限“辐射波长/4π”，其亮度比第三代同步辐射光源高2个数量级。这种同步辐射光源在性能上发生的质的飞跃，将给同步辐射实验技术带来实质性的突破，从而给前沿科学技术研究和现代产业发展带来全新的机遇。从国际同步辐射发展趋势入手，首先介绍低能区衍射限储存环光源的特色和性能，然后介绍其带来的同步辐射实验技术的进步，并浅析低能区衍射限储存环光源在材料科学、能源科学、生命科学和环境科学上的应用，以及其带来的产业机遇。最后，总结和展望了低能区衍射限储存环光源带来的技术突破和潜在的应用前景。
在科学技术新需求的推动下，同步辐射光源持续往前发展。目前，同步辐射装置发展已历经三代，正处于第四代同步辐射光源蓬勃发展阶段。基于衍射极限储存环的同步辐射装置是第四代同步辐射光源的典型代表之一。第四代同步辐射光源主要发展趋势是进一步减小电子束流发射度，使光源具有极好的横向相干性，以及产生圆截面辐射的能力。如果束流发射度降至光学衍射极限“辐射波长/4π”，其亮度比第三代同步辐射光源高2个数量级。这种同步辐射光源在性能上发生的质的飞跃，将给同步辐射实验技术带来实质性的突破，从而给前沿科学技术研究和现代产业发展带来全新的机遇。从国际同步辐射发展趋势入手，首先介绍低能区衍射限储存环光源的特色和性能，然后介绍其带来的同步辐射实验技术的进步，并浅析低能区衍射限储存环光源在材料科学、能源科学、生命科学和环境科学上的应用，以及其带来的产业机遇。最后，总结和展望了低能区衍射限储存环光源带来的技术突破和潜在的应用前景。
2022, 34: 104007.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220057
摘要:
合肥先进光源（HALF）将建设成为1台第四代衍射极限储存环光源。HALF的引出光具有更高亮度，能给储存环带来更高的热负载。引光段需设置光子吸收器，以限定引出光的尺寸和吸收其余未使用的同步光，同时减少同步光热负载对储存环超高真空系统的影响。紧凑的衍射极限储存环的物理设计及光子吸收器与真空室连接方式的选择给光子吸收器的设计带来了一系列挑战。在插入式双片型吸收器结构的基础上，综合考虑吸收面形状、水冷结构、安装定位等因素，设计了一种基于CuCrZr材料、与真空室一体、无需单独定位的光子吸收器，并计算其位于弯转角2.74°的弯转磁铁下游光引出段处，被同步光照射的光斑尺寸和辐射功率；采用有限元分析方法对光子吸收器进行热力学模拟，得到辐照后的最高温度约为80 ℃，最大应力为20.8 MPa，最大热变形为0.05 mm。结合制作材料CuCrZr在高热负载下的许用准则，确定了光子吸收器结构的合理性。此研究为合肥先进光源中前端区光子吸收器的设计提供了重要的理论依据。
合肥先进光源（HALF）将建设成为1台第四代衍射极限储存环光源。HALF的引出光具有更高亮度，能给储存环带来更高的热负载。引光段需设置光子吸收器，以限定引出光的尺寸和吸收其余未使用的同步光，同时减少同步光热负载对储存环超高真空系统的影响。紧凑的衍射极限储存环的物理设计及光子吸收器与真空室连接方式的选择给光子吸收器的设计带来了一系列挑战。在插入式双片型吸收器结构的基础上，综合考虑吸收面形状、水冷结构、安装定位等因素，设计了一种基于CuCrZr材料、与真空室一体、无需单独定位的光子吸收器，并计算其位于弯转角2.74°的弯转磁铁下游光引出段处，被同步光照射的光斑尺寸和辐射功率；采用有限元分析方法对光子吸收器进行热力学模拟，得到辐照后的最高温度约为80 ℃，最大应力为20.8 MPa，最大热变形为0.05 mm。结合制作材料CuCrZr在高热负载下的许用准则，确定了光子吸收器结构的合理性。此研究为合肥先进光源中前端区光子吸收器的设计提供了重要的理论依据。
2022, 34: 104008.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220108
摘要:
闪光X射线照相是利用加速器产生的短脉冲X射线对快速运动的致密客体进行透视照相的技术。概述了闪光X射线照相对X射线的性能要求；回顾了闪光X射线照相及其加速器的发展历程；分析了闪光X射线照相用加速器的发展方向。
闪光X射线照相是利用加速器产生的短脉冲X射线对快速运动的致密客体进行透视照相的技术。概述了闪光X射线照相对X射线的性能要求；回顾了闪光X射线照相及其加速器的发展历程；分析了闪光X射线照相用加速器的发展方向。
2022, 34: 104009.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220090
摘要:
激光等离子体加速器能够在cm尺度内产生GeV量级的高品质电子束，为研制台式化自由电子激光提供驱动源。但是受限于激光等离子体加速中的难点和现有技术发展，电子束的品质难以达到自由电子激光的需求，尤其在稳定性、发散角和能散等方面，阻碍了台式化自由电子激光的研制。介绍了基于激光等离子体加速器的自由电子激光的最新进展，整理了目前高增益自由电子激光实验过程中存在的主要挑战和对应的解决方案与实验进展，并展望未来的发展方向。最近的研究结果证明，通过控制和优化激光等离子体加速器的注入和加速过程产生的高品质电子束可以在指数增益区域实现自发辐射放大，产生高增益的辐射，这也推动基于激光等离子体加速器的自由电子激光研究进入了一个新的阶段。
激光等离子体加速器能够在cm尺度内产生GeV量级的高品质电子束，为研制台式化自由电子激光提供驱动源。但是受限于激光等离子体加速中的难点和现有技术发展，电子束的品质难以达到自由电子激光的需求，尤其在稳定性、发散角和能散等方面，阻碍了台式化自由电子激光的研制。介绍了基于激光等离子体加速器的自由电子激光的最新进展，整理了目前高增益自由电子激光实验过程中存在的主要挑战和对应的解决方案与实验进展，并展望未来的发展方向。最近的研究结果证明，通过控制和优化激光等离子体加速器的注入和加速过程产生的高品质电子束可以在指数增益区域实现自发辐射放大，产生高增益的辐射，这也推动基于激光等离子体加速器的自由电子激光研究进入了一个新的阶段。
2022, 34: 104010.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220132
摘要:
基于高亮度电子束与超短强激光相互作用的逆康普顿散射X/γ射线源具有单色性好、能量可调、偏振可控等特点，在核安全及核安保领域具有广泛的应用前景。清华大学将研制国际上首套能量达MeV的紧凑准单能伽马源装置并开展包括先进辐射成像、基于核共振荧光的物质分析检测等应用工作。给出该光源设计方案，以及针对其关键性能指标进行的优化及光源最终性能指标。目前已完成光源的设计，正在进行部件的加工采购，预计将于2023年启动装置的安装调试工作，于2025年完成项目的调试和验收。
基于高亮度电子束与超短强激光相互作用的逆康普顿散射X/γ射线源具有单色性好、能量可调、偏振可控等特点，在核安全及核安保领域具有广泛的应用前景。清华大学将研制国际上首套能量达MeV的紧凑准单能伽马源装置并开展包括先进辐射成像、基于核共振荧光的物质分析检测等应用工作。给出该光源设计方案，以及针对其关键性能指标进行的优化及光源最终性能指标。目前已完成光源的设计，正在进行部件的加工采购，预计将于2023年启动装置的安装调试工作，于2025年完成项目的调试和验收。
2022, 34: 104011.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220076
摘要:
能量回收技术将使用后的电子束进行能量回收，用于加速后续束团，可大大减少加速器消耗的射频功率和有害辐射。基于能量回收技术的光源除节能环保外，还具有束团短、发射度低的特点，可有效提高光源的峰值亮度和相干性，是一种很有潜力的未来先进光源。介绍能量回收直线加速器技术的基本原理、相关关键物理问题和技术以及能量回收直线加速器发展现状，最后简要介绍几个国际上提出的典型能量回收直线加速器光源方案。
能量回收技术将使用后的电子束进行能量回收，用于加速后续束团，可大大减少加速器消耗的射频功率和有害辐射。基于能量回收技术的光源除节能环保外，还具有束团短、发射度低的特点，可有效提高光源的峰值亮度和相干性，是一种很有潜力的未来先进光源。介绍能量回收直线加速器技术的基本原理、相关关键物理问题和技术以及能量回收直线加速器发展现状，最后简要介绍几个国际上提出的典型能量回收直线加速器光源方案。
2022, 34: 104012.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220134
摘要:
太赫兹辐射在基础科学和产业应用中具有重要的应用前景，但传统的电子学和光学方法难以在1～10 THz产生相干的高功率、窄带且连续可调的太赫兹辐射。基于相对论性超短电子束和预调制电子束序列的加速器太赫兹源将能在上述范围内产生可调的高能谱强度窄带太赫兹辐射。综述了清华大学加速器实验室近年来在基于相对论电子束的加速器太赫兹源方面的理论和实验进展，以及与加速器太赫兹源一起发展起来的太赫兹辐射测量、束流诊断和先进加速技术。
太赫兹辐射在基础科学和产业应用中具有重要的应用前景，但传统的电子学和光学方法难以在1～10 THz产生相干的高功率、窄带且连续可调的太赫兹辐射。基于相对论性超短电子束和预调制电子束序列的加速器太赫兹源将能在上述范围内产生可调的高能谱强度窄带太赫兹辐射。综述了清华大学加速器实验室近年来在基于相对论电子束的加速器太赫兹源方面的理论和实验进展，以及与加速器太赫兹源一起发展起来的太赫兹辐射测量、束流诊断和先进加速技术。
2022, 34: 104013.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220091
摘要:
中国工程物理研究院太赫兹自由电子激光装置（CAEP THz FEL, CTFEL）是国内唯一运行的基于超导加速器的高平均功率自由电子激光太赫兹源，具有频率连续在线可调(0.1～4.2 THz)、高峰值功率(＞0.5 MW)、高平均功率(＞10 W)、高重频(54.17 MHz)、短脉冲(～ps)、窄线宽（～2%）、全相干和线性偏振等特点。自2017年出光以来，已稳定运行了四年多，并开展了诸多应用实验研究。为进一步满足用户需求，CTFEL计划升级为一台红外太赫兹自由电子激光装置，电子束能量提升至最大50 MeV，频谱范围拓展至0.1～125 THz，同时，建设材料光谱和生物医学两个实验站。
中国工程物理研究院太赫兹自由电子激光装置（CAEP THz FEL, CTFEL）是国内唯一运行的基于超导加速器的高平均功率自由电子激光太赫兹源，具有频率连续在线可调(0.1～4.2 THz)、高峰值功率(＞0.5 MW)、高平均功率(＞10 W)、高重频(54.17 MHz)、短脉冲(～ps)、窄线宽（～2%）、全相干和线性偏振等特点。自2017年出光以来，已稳定运行了四年多，并开展了诸多应用实验研究。为进一步满足用户需求，CTFEL计划升级为一台红外太赫兹自由电子激光装置，电子束能量提升至最大50 MeV，频谱范围拓展至0.1～125 THz，同时，建设材料光谱和生物医学两个实验站。
2022, 34: 104014.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220075
摘要:
射频超导加速器采用在液氦温度下工作的超导加速腔，可运行在长宏脉冲或连续波模式，同时具有较大的束流孔径，可有效减小束腔相互作用。经过半个多世纪的发展，射频超导技术已经日趋成熟，广泛应用于各种光源，并将发挥越来越重要的作用。简要介绍射频超导基本原理、应用于光源的椭球型电子超导加速腔的研制工艺、超导加速模组构成和应用于不同类型光源的超导加速腔的主要特点。
射频超导加速器采用在液氦温度下工作的超导加速腔，可运行在长宏脉冲或连续波模式，同时具有较大的束流孔径，可有效减小束腔相互作用。经过半个多世纪的发展，射频超导技术已经日趋成熟，广泛应用于各种光源，并将发挥越来越重要的作用。简要介绍射频超导基本原理、应用于光源的椭球型电子超导加速腔的研制工艺、超导加速模组构成和应用于不同类型光源的超导加速腔的主要特点。
2022, 34: 104015.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220061
摘要:
对频率和场平坦度的预调谐是9-cell超导腔耗时最多的后处理工序之一，很快将成为国内相关大科学工程9-cell腔批量生产的瓶颈。首先介绍了9-cell超导腔两种常用的预调谐方法，即DESY方法和Cornell方法的原理，建模分析和比较了两种方法的计算精度和误差来源，给出Cornell方法调谐量计算的修正。然后结合9-cell超导腔预调谐实验研究，给出了快速预调谐方法：DESY的重建算法在低场平时精度较高且收敛迅速，可作为粗调；Cornell微扰算法在高场平时精度较高且测量迅速，可作为微调。结合两种调谐方式，将预调谐分为粗调和微调两步，可有效提升9-cell超导腔预调谐的速度。
对频率和场平坦度的预调谐是9-cell超导腔耗时最多的后处理工序之一，很快将成为国内相关大科学工程9-cell腔批量生产的瓶颈。首先介绍了9-cell超导腔两种常用的预调谐方法，即DESY方法和Cornell方法的原理，建模分析和比较了两种方法的计算精度和误差来源，给出Cornell方法调谐量计算的修正。然后结合9-cell超导腔预调谐实验研究，给出了快速预调谐方法：DESY的重建算法在低场平时精度较高且收敛迅速，可作为粗调；Cornell微扰算法在高场平时精度较高且测量迅速，可作为微调。结合两种调谐方式，将预调谐分为粗调和微调两步，可有效提升9-cell超导腔预调谐的速度。
2022, 34: 104016.
doi: 10.11884/HPLPB202234.210343
摘要:
为满足北京大学新一代超导注入器DC-SRF-II注入器的需求，设计了新的光阴极驱动激光系统。系统采用模块化的布局，可以工作在从单脉冲到81.25 MHz连续波模式，绿光输出功率1.41 W @ 1 MHz。系统实现了激光的纵向和横向整形，纵向整形后的激光脉冲为平顶分布，脉宽约为18 ps，横向则为截断高斯分布。实验结果显示，输出激光的RMS功率波动为1.8%，指向抖动小于1 μrad。
为满足北京大学新一代超导注入器DC-SRF-II注入器的需求，设计了新的光阴极驱动激光系统。系统采用模块化的布局，可以工作在从单脉冲到81.25 MHz连续波模式，绿光输出功率1.41 W @ 1 MHz。系统实现了激光的纵向和横向整形，纵向整形后的激光脉冲为平顶分布，脉宽约为18 ps，横向则为截断高斯分布。实验结果显示，输出激光的RMS功率波动为1.8%，指向抖动小于1 μrad。
2022, 34: 104017.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220112
摘要:
光阴极注入器为X射线自由电子激光提供高品质电子束团，其中，阴极面上电子发射的均匀性在很大程度上影响着电子束团的束流品质，实验中常通过测量光阴极量子效率分布来评估电子发射的均匀性。成像法测量光阴极量子效率分布时具有实时、高分辨的特点，目前，此方法只在电磁分离型光阴极注入器中有所应用。探索成像法在电磁叠加型光阴极注入器中应用的可行性，采用理论分析结合数值模拟的方法，研究结果显示成像法适用于电磁叠加型光阴极注入器，且由此获得的量子效率分布具有阴极面中心位置处分辨率优于外层的特点。此外，针对成像法在初始束团横向动量分布测量中的应用进行模拟计算分析，并在此基础上提出一种判断阴极面剩余磁场是否为零的方法。
光阴极注入器为X射线自由电子激光提供高品质电子束团，其中，阴极面上电子发射的均匀性在很大程度上影响着电子束团的束流品质，实验中常通过测量光阴极量子效率分布来评估电子发射的均匀性。成像法测量光阴极量子效率分布时具有实时、高分辨的特点，目前，此方法只在电磁分离型光阴极注入器中有所应用。探索成像法在电磁叠加型光阴极注入器中应用的可行性，采用理论分析结合数值模拟的方法，研究结果显示成像法适用于电磁叠加型光阴极注入器，且由此获得的量子效率分布具有阴极面中心位置处分辨率优于外层的特点。此外，针对成像法在初始束团横向动量分布测量中的应用进行模拟计算分析，并在此基础上提出一种判断阴极面剩余磁场是否为零的方法。
2022, 34: 104018.
doi: 10.11884/HPLPB202234.220244
摘要:
为推动北京大学超导加速器实验装置不断向强流目标迈进，提出100 W红外高重频光阴极驱动激光的设计方案，主放大器采用先进的光子晶体增益光纤，保证输出光束的质量。对激光系统中的关键问题，如各部分功率指标、脉冲展宽和压缩、激光耦合等进行了设计，并且考虑了激光的非线性影响。为实现强流加速器开机运行所必备的诊断模式，也提出了对于高重频激光进行两级选频的独特设计方案。将高速的SOA光开关和低速的声光调制器相结合，产生宏脉冲结构的输出激光，从而实现加速器在诊断模式下的运行。
为推动北京大学超导加速器实验装置不断向强流目标迈进，提出100 W红外高重频光阴极驱动激光的设计方案，主放大器采用先进的光子晶体增益光纤，保证输出光束的质量。对激光系统中的关键问题，如各部分功率指标、脉冲展宽和压缩、激光耦合等进行了设计，并且考虑了激光的非线性影响。为实现强流加速器开机运行所必备的诊断模式，也提出了对于高重频激光进行两级选频的独特设计方案。将高速的SOA光开关和低速的声光调制器相结合，产生宏脉冲结构的输出激光，从而实现加速器在诊断模式下的运行。
