自由电子激光装置直线加速器中微聚束不稳定效应的控制与应用研究

The microbunching instability is an important issue for the beam quality control in the LINAC of a Free Electron Laser (FEL) facility, and it needs to be seriously considered in the design and operation process of an electron LINAC. To guarantee the long term stable operation of a FEL device, the degrading of the beam quality due to the microbunching instability must be controlled. Otherwise, the quality of the FEL laser will be severely downgraded and there will be even no FEL laser generated from it. On the other hand, the microbunching instabililty also plays a key role in the FEL process. Based on the similar mechanism, the study of the generation of the shorter wavelength FEL radiation in the main LINAC via the microbunching instabilty is also proposed. In this proposal, based on the previous achievements that we have made and with further theoretical and experimental investigations, we are going to fulfill the feasible scheme to gain the well control over the microbunching instabilty via the transverse gradient undulator (TGU) in a FEL LINAC. Moreover, as an application of the microbunching instability, we also propose to carry out the proof-of-principle study of the generation of the shorter wavelength FEL radiation through multiple stage electron bunch compression.

微聚束不稳定性是自由电子激光装置直线加速器中影响束流品质的一个重要因素，是电子直线加速器设计和运行过程中必须考虑的重要方面。为了保证整个自由电子激光装置的稳定运行，微聚束不稳定效应对束流品质的影响必须控制在可接受的范围内，否则将会导致辐射段激光品质的下降乃至无法稳定出光。另一方面，在自由电子激光的产生过程中，微聚束效应也扮演着一个关键角色。基于类似的原理，我们计划进行在主加速器中利用微聚束效应来获得更短波长辐射的研究。此项申请计划基于现有取得的研究成果，通过更进一步的理论研究和实验测试，形成利用横向梯度波荡器来有效控制微聚束不稳定增益的可行方案。此外，作为微聚束不稳定效应的一个应用，我们计划通过电子束的多级压缩，进行产生更短波长FEL辐射的原理验证研究。

微聚束不稳定性是自由电子激光装置直线加速器中影响束流品质的一个重要因素，是电子直线加速器设计和运行过程中必须考虑的重要方面。为了保证整个自由电子激光装置的稳定运行，微聚束不稳定效应对束流品质的影响必须控制在可接受的范围内，否则将会导致辐射段激光品质的下降乃至无法稳定出光。另一方面，在自由电子激光的产生过程中，微聚束效应也扮演着一个关键角色。 本项目在理论和实验上进一步探讨并完善了自由电子激光装置电子直线加速器中的微聚束不稳定效应的控制方法和可能的应用。其中理论上进一步完善了利用横向梯度波荡器（TGU）控制微聚束不稳定性的物理原理，并且研究了定量计算微聚束不稳定增益的方法。实验上观察验证微聚束不稳定效应的放大及控制方法并且探索其应用，同时研制成功了可变气隙/梯度的横向梯度波荡器实验系统用于微聚束控制实验，该系统为国内首创。总体上说，通过本项目的研究，显著提高了相关人员在理论计算、数值模拟、激光脉冲整形传输、信号同步以及束流测量等领域的能力水平。项目中取得的成果和经验对于国内外自由电子激光装置的稳定运行和性能提升具有重要意义和参考价值。