一种高通量同步辐射光产生装置

1.本发明涉及同步辐射光源领域，更具体地涉及一种高通量同步辐射光产生装置。


背景技术：

2.电子储存环同步辐射光源已经历了三代的发展演化，目前正在朝着亮度更高、横向相干性更好的第四代——衍射极限储存环发展。基于储存环的同步辐射光源现今已经成为支撑多学科开展基础和应用研究的一种最主要的大科学平台。第三、四代同步辐射光源具有光谱覆盖范围广、脉冲能量稳定和同时支持多用户运行等诸多优点。然而，由于储存环同步辐射光源是基于电子束的自发辐射，因此亮度不高、脉冲长度较长、纵向没有相干性。
3.基于直线加速器的自由电子激光是国际公认的新一代先进光源，自由电子激光既具备超高的峰值亮度、超短的脉冲结构和较好的相干性，同时又具备广阔的光谱覆盖范围及波长连续调节的能力。这种同时具备高时间、空间分辨率和高能量分辨率的极紫外和x射线光源的出现，为探测微观结构的超快演化过程提供了前所未有的工具。然而，与储存环同步辐射光源相比，自由电子激光中的电子束不能重复利用，辐射脉冲的重复频率较低，若要想提高其重复频率，需要采用高重频的电子枪和超导直线加速器技术，这大大增加了装置的造价、技术难度和运行成本。另外，自由电子激光装置一般仅能向有限的几个用户线站同时供光，这也在一定程度上限制了其应用范围。
4.储存环光源峰值亮度低而重复频率高，自由电子激光峰值亮度高而重复频率低，若能将储存环与自由电子激光的优势相结合，在储存环的电子束中实现微聚束，这样即使没有增益过程，辐射亮度也可以比自发辐射高2～6个量级。将储存环与自由电子激光相结合的概念已经历了多年的发展，然而目前尚缺乏有效的实现方案，其难点在于如何在储存环中产生极紫外和x射线波长尺度的微聚束，以及电子束发光之后如何恢复到初始状态，即如何消除调制，以实现电子束的重复利用和高重复频率发光。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种高通量同步辐射光产生装置，其基于角色散机制进行电子束调制和调制消除，以实现高平均通量的极紫外和x射线辐射。
6.本发明提供一种高通量同步辐射光产生装置，包括超快激光器、调制系统、辐射系统、调制消除系统和相位反馈系统，所述调制系统、所述辐射系统和所述调制消除系统沿电子束传输方向依次排布且位于同一垂直平面，所述调制系统设置为接收电子束并使电子束中形成微聚束，所述超快激光器分别向所述调制系统和所述调制消除系统注入第一路超快激光和第二路超快激光，所述辐射系统设置为接收来自所述调制系统的电子束并使电子束中的群聚信号放大产生极紫外至x射线波段的全相干辐射，所述调制消除系统设置为接收所述辐射系统的电子束并消除电子束中的微聚束，所述相位反馈系统与所述超快激光器相连，设置为控制和反馈第一路超快激光和第二路超快激光在所述调制系统和所述调制消除系统中的相位。
7.进一步地，所述相位反馈系统设置为使两路激光间的相位相差π，包括：
8.高精度激光鉴相器，设置为精确测量所述第一路超快激光和第二路超快激光的相对相位；以及
9.移相器，设置为根据测量的相对相位对第一路超快激光和第二路超快激光的相对相位进行调节，以维持所述第一路超快激光和第二路超快激光间的相对相位关系。
10.进一步地，所述调制系统包括沿电子束传输方向依次排布的横向色散产生系统、第一调制波荡器和聚束段。
11.进一步地，所述调制消除系统包括沿电子束传输方向依次排布的反向聚束段、第二调制波荡器和横向色散消除系统。
12.进一步地，所述横向色散产生系统由两块垂直方向反向的第一二极铁和其中间的三块第一四极铁组成，所述聚束段由两块垂直方向反向的第二二极铁和其中间的三块第二四极铁组成。
13.进一步地，所述辐射系统包括沿电子束传输方向依次排布的第一辐射波荡器、由两块同向水平第三二极铁和其中间的五块第三四极铁组成的双二极铁消色散结构和第二辐射波荡器；所述反向聚束段由两块反向垂直第四二极铁和其中间的三块第四四极铁组成，所述横向色散消除系统由两块反向垂直第五二极铁和其中间的三块第五四极铁组成。
14.进一步地，所述横向色散产生系统由垂直方向的第六二极铁构成，所述聚束段由一块与所述横向色散产生系统方向相反的第七二极铁和依次排布的两块第七四极铁、一块第八二极铁、三块第八四极铁、一块第九二极铁和两块第九四极铁组成的dba结构构成，所述辐射系统包括第三辐射波荡器，所述反向聚束段由依次排布的五块第十二极铁构成，所述横向色散消除系统由一块与所述横向色散产生系统反向的第十一二极铁构成。
15.进一步地，所述调制系统包括第三调制波荡器和由一块第十二二极铁组成的第一色散产生系统，所述辐射系统由若干第四辐射波荡器和其间的第十一四级铁组成，所述调制消除系统包括沿电子束传输方向依次排布的第一色散消除系统和第四调制波荡器，所述第一色散消除系统由与所述第一色散产生系统方向相反的一块第十三二极铁构成。
16.进一步地，所述调制系统包括由两块第十二四极铁组成的横向匹配段、第五调制波荡器和由一块第十四二极铁组成的第二色散产生系统，所述辐射系统包括若干第五辐射波荡器和其间的第十三四级铁，所述调制消除系统包括第二色散消除系统和第六调制波荡器，所述第二色散消除系统由与所述第二色散产生系统方向相反的第十五二极铁构成。
17.进一步地，所述调制系统包括沿电子束传输方向依次排布的第七调制波荡器和第三色散产生系统，所述第三色散产生系统由一块第十五四极铁和一块第十六二极铁组成，所述第十五四极铁和第十六二极铁之间形成漂移段，所述辐射系统包括沿电子束传输方向依次排布的第六辐射波荡器、由两块相同的第十七二极铁和其中间的五块第十六四极铁组成的dba结构和第七辐射波荡器，所述调制消除系统包括沿电子束传输方向依次排布的第三色散消除系统和第八调制波荡器，所述第三色散消除系统由一块第十七四极铁和反向垂直第十八二极铁构成。
18.本发明的高通量同步辐射光产生装置，通过调制系统在电子束中产生极紫外至x射线波长尺度的微聚束，通过辐射系统使其产生高通量辐射光，通过调制消除系统使电子束发光后恢复到初始状态，以实现电子束的重复利用和高重复频率发光；本发明的高通量
同步辐射光产生装置，采用二极铁、四极铁、超快激光器和波荡器等元件组成，造价低，技术难度小，运行成本低。
附图说明
19.图1为根据本发明实施例的高通量同步辐射光产生装置的结构框图；
20.图2为根据本发明第一实施例的高通量同步辐射光产生装置的结构示意图；
21.图3为根据本发明第二实施例的高通量同步辐射光产生装置的结构示意图；
22.图4为根据本发明第三实施例的高通量同步辐射光产生装置的结构示意图；
23.图5为根据本发明第四实施例的高通量同步辐射光产生装置的结构示意图；
24.图6为根据本发明第五实施例的高通量同步辐射光产生装置的结构示意图；
25.图7a-7c为根据本发明的一个实施例的高通量同步辐射光产生装置的电子束在结构中不同位置处的微聚束产生及消除示意图，其中，图7a显示了电子束的初始状态，图7b显示了经过调制系统后形成微聚束的状态，图7c显示了电子束经过辐射系统和调制消除系统后的状态。
具体实施方式
26.下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
27.如图1所示，本发明提供一种高通量同步辐射光产生装置，其基于角色散机制进行电子束的调制和调制消除，安装于同步辐射装置中高能直线加束器的出口处，包括超快激光器1、调制系统2、辐射系统3、调制消除系统4和相位反馈系统5，其中，电子束为同步辐射装置产生的高能电子束，调制系统2、辐射系统3和调制消除系统4沿电子束传输方向依次排布且位于同一垂直平面，调制系统2设置为接收电子束并使电子束中形成微聚束，超快激光器1产生的激光脉冲被(图中未示出)分为第一路超快激光11和第二路超快激光12，其分别与调制系统2和调制消除系统4中的电子束同向、并同时注入调制系统2和调制消除系统4，辐射系统3设置为接收具有微聚束的电子束，辐射系统3共振于第一路超快激光11的高次谐波，并使用电子束中的微聚束产生极紫外至x射线波段的全相干辐射；调制消除系统4设置为接收辐射系统3中的电子束并消除其中的微聚束，使其恢复到电子束的初始状态；相位反馈系统5与超快激光器1相互连接，用于控制和反馈激光脉冲在调制系统2和调制消除系统4中的相位。
28.恢复初始状态的电子束可重复使用而产生相干辐射，由于储存环中的电子束重复频率最高可达100mhz，因此在理想情况下，相干辐射脉冲的重复频率可在1-100mhz之间调节。
29.该高通量同步辐射光产生装置的排列沿辐射系统3的水平中心线呈镜像对称结构，从而有利于整个装置的设计和调试。
30.相位反馈系统5设置为使两路激光间的相位相差π，以实现能量调制和消除能量调制的目的，其包括高精度激光鉴相器和移相器，通过高精度激光鉴相器精确测量第一路超快激光11和第二路超快激光12的相对相位，同时通过反馈算法和移相器根据测量的相对相位对第一路超快激光11和第二路超快激光12的相对相位进行调节，以维持第一路超快激光11和第二路超快激光12之间的相对相位关系。
31.图2和图3为根据本发明的第一实施例和第二实施例的高通量同步辐射光产生装置。如图2和图3所示，高通量同步辐射光产生装置的调制系统2包括沿电子束传输方向依次排布的横向色散产生系统21、第一调制波荡器22和聚束段23，横向色散产生系统21设置为接收电子束并在其中引入横向色散和角散，第一调制波荡器22设置为接收来自横向色散产生系统21的电子束并在其中产生能量调制，聚束段23设置为接收来自第一调制波荡器22的电子束并在其中产生横向色散和纵向色散，使电子束中形成微聚束。
32.调制消除系统4包括沿电子束传输方向依次排布的反向聚束段41、第二调制波荡器42和横向色散消除系统43，反向聚束段41设置为接收来自辐射系统3的电子束并在其中产生横向色散和纵向色散，所产生的横向色散和纵向色散与横向色散产生系统21中产生的横向色散和纵向色散大小相等且方向相反；第二调制波荡器42设置为接收来自反向聚束段41的电子束和第二路超快激光12，并在电子束中产生与第一调制波荡器22中反向的能量调制；横向色散消除系统设置为接收来自第二调制波荡器42的电子束，并消除横向色散产生系统21中所引入的横向色散和角散，使电子束恢复到电子束的初始状态。
33.具体地，如图2所示，根据本发明的第一实施例，高通量同步辐射光产生装置的横向色散产生系统21由两块垂直方向反向的第一二极铁211和其中间的三块第一四极铁212组成，聚束段23由两块垂直方向反向的第二二极铁231和其中间的三块第二四极铁232组成，通过优化横向色散产生系统21、第一调制波荡器22和聚束段23的各项参数，调制系统2的一阶线性传输矩阵(y-z平面)可以由下式表示：
[0034][0035]
其中t1和η1分别为横向色散产生系统21的角散和色散，t2和η2分别为聚束段23的角散和色散。电子束中将产生多个微聚束，微聚束的间距为第一路超快激光11的波长，微聚束的长度远小于第一路超快激光11的波长，其具体值由聚束段23的角散和色散强度以及电子束的初始横向参数决定。
[0036]
辐射系统3包括沿电子束传输方向依次排列的第一辐射波荡器31、由两块同向水平第三二极铁321和其中间的五块第三四极铁322组成的双二极铁消色散结构(dba)32和第二辐射波荡器33，来自聚束段23的电子束在经过第一辐射波荡器31时可以发出第一路超快激光11的波长的高次谐波辐射，辐射通量和亮度与微聚束中的电子数平分成正比；该电子束继续通过dba32后可以在第二辐射波荡器33中继续发光，之后电子束通过由两块反向垂直第四二极铁411和其中间的三块第四四极铁412组成的反向聚束段41消除由聚束段23引入的色散，第四二极铁411的强度与第二二极铁231相同，但方向相反。电子束再经过第二调制波荡器42以消除能量调制，最后电子束通过由两块反向垂直第五二极铁431和其中间的三块第五四极铁432组成的横向色散消除系统43，以消除横向色散产生系统21引入的横向色散，使电子束恢复到发光之前的状态(即电子束的状态)。
[0037]
在本实施例中，电子束和第一路超快激光11同时注入到第一调制波荡器22中，电
子束和第二路超快激光12同时注入到第二调制波荡器42中，两路激光的相对相位由相位反馈系统5进行精确地控制。
[0038]
在本实施例中，在横向色散产生系统21之前和横向色散消除系统43之后各放置若干第六四极铁600，用于电子束的横向匹配，辅助电子束传输。
[0039]
如图3所示，根据本发明的第二实施例，高通量同步辐射光产生装置的横向色散产生系统21由垂直方向的第六二极铁构成，聚束段23由一块与横向色散产生系统21方向相反的第七二极铁233和依次排布的两块第七四极铁234、一块第八二极铁235、三块第八四极铁236、一块第九二极铁237和两块第九四极铁238组成的dba结构构成，反向聚束段41由依次排布的五块第十二极铁413构成，横向色散消除系统43由一块与横向色散产生系统21反向的第十一二极铁构成。
[0040]
在本实施例中，在横向色散产生系统21之前和横向色散消除系统43之后各放置若干第十四极铁601，用于电子束的横向匹配，辅助电子束传输。随后电子束依次通过横向色散产生系统21、第一调制波荡器22和聚束段23，上述元件构成的调制系统2的一阶线性传输矩阵(y-z平面)可由下式表示：
[0041][0042]
其中，θ为垂直二极铁偏转角度，l为第一调制波荡器22的长度，ξ*为dba结构的偏能粒子纵向位移。通过优化上述参数，电子束将产生与第一实施方式相同的强微聚束。
[0043]
然后电子束进入辐射系统3，辐射系统3包括第三辐射波荡器，电子束在经过第三辐射波荡器时可以发出与第一实施例的高通量同步辐射光产生装置的特性相同的高次谐波辐射。
[0044]
之后电子束再通过反向聚束段41消除由聚束段23引入的色散，之后再经过第二调制波荡器42和横向色散消除系统43消除由第一调制波荡器22引入的能量调制和由横向色散产生系统21引入的色散，使电子束基本恢复到发光之前的状态。电子束和超快激光注入到第一调制波荡器和第二调制波荡器的方式与第一实施例的高通量同步辐射光产生装置相同。
[0045]
图4示出了根据本发明的第三实施例的高通量同步辐射光产生装置，如图4所示，高通量同步辐射光产生装置的调制系统2包括第三调制波荡器24和由一块第十二二极铁组成的第一色散产生系统25，激光与电子束的夹角以及第一色散产生系统25的二极铁偏转角度都为θ，调制系统2的一阶线性传输矩阵(y-z平面)可以由下式表示：
[0046][0047]
其中，lb和η分别为第一色散产生系统25的第十二二极铁的长度和色散。通过优化第一色散产生系统25和第三调制波荡器24的各项参数，电子束中将产生与第一实施例相同
的强微聚束。
[0048]
然后电子束进入辐射系统3，其在经过辐射系统3时可以发出与第一实施例特性相同的高次谐波辐射。辐射系统3由若干第四辐射波荡器34和第四辐射波荡器段间的第十一四极铁35组成。
[0049]
调制消除系统4包括沿电子束传输方向依次排布的第一色散消除系统44和第四调制波荡器45，第一色散消除系统44由与第一色散产生系统25方向相反的一块第十三二极铁构成。电子束通过第一色散消除系统44消除第一色散产生系统25所引入的色散，然后经过第四调制波荡器45消除第三调制波荡器24引入的能量调制和角度调制，电子束恢复到发光之前的状态。电子束和超快激光注入到波荡器的方式与第一实施例的高通量同步辐射光产生装置相同。
[0050]
如图5所示为根据本发明的第四实施例的高通量同步辐射光产生装置，根据本发明的第四实施例，高通量同步辐射光产生装置的调制系统2包括由两块第十二四极铁组成的横向匹配段26、第五调制波荡器27和由一块第十四二极铁组成的第二色散产生系统28。与电子束作用的超快激光为tem01模式，该调制系统2的一阶线性传输矩阵(y-z平面)可以由下式表示：
[0051][0052]
其中a、b、c和d为横向匹配段26中的矩阵元素，其满足ad-cb＝1，lb和η分别为第二色散产生系统28的第十四二极铁的长度和色散强度。通过优化第二色散产生系统28、第五调制波荡器27和横向匹配段26的各项参数，电子束中将产生与第一实施例的高通量同步辐射光产生装置相同的强微聚束。
[0053]
然后电子束进入辐射系统3，其在经过辐射系统3时可以发出与第一实施例特性相同的高次谐波辐射。辐射系统3由若干第五辐射波荡器36和第五辐射波荡器段间的第十三四极铁37组成。
[0054]
调制消除系统4包括第二色散消除系统46和第六调制波荡器47，第二色散消除系统46由与第二色散产生系统28方向相反的第十五二极铁构成。电子束通过第二色散消除系统46消除第二色散产生系统28所引入的色散，然后经过第六调制波荡器47消除由第五调制波荡器27引入的能量调制和角度调制，电子束和超快激光注入到第五和第六调制波荡器的方式与第一实施例的高通量同步辐射光产生装置相同。
[0055]
在本实施例中，在调制消除系统4之后放置若干第十四四极铁602，用于电子束的横向匹配，辅助电子束传输。
[0056]
图6示出了根据本发明的第五实施例的高通量同步辐射光产生装置。如图6所示，在第五实施例中，高通量同步辐射光产生装置的调制系统2包括沿电子束传输方向依次排布的第七调制波荡器210和第三色散产生系统220，第三色散产生系统220由一块第十五四
极铁和一块第十六二极铁组成，第十五四极铁和第十六二极铁之间形成漂移段。在第七调制波荡器210中，采用两束倾斜相同角度的激光对电子束进行调制，调制系统的一阶线性传输矩阵(y-z平面)可由下式表示：
[0057][0058]
其中，l为第十五四极铁和第十六二极铁之间的漂移段长度，lb为第十六二极铁长度，t和η分别为二极铁磁铁偏转角度和色散强度。通过优化第三色散产生系统220和第七调制波荡器210的各项参数，电子束中将产生与第一实施例相同的强微聚束，此外，相比于第四实施例的高通量同步辐射光产生装置中的单束倾斜激光调制，在本实施例中，高通量同步辐射光产生装置采用的双倾斜激光调制能产生两倍的角调制深度，所需的激光功率能进一步被降低。
[0059]
辐射系统3包括依次排布的第六辐射波荡器310、由两块相同的第十七二极铁和其中间的五块第十六四极铁组成的dba结构320和第七辐射波荡器330，电子束经过第六辐射波荡器310后可以发出激光波长的高次谐波辐射，然后依次经过dba结构320后可以在第七辐射波荡器330中继续发光。
[0060]
调制消除系统4包括依次排布的第三色散消除系统410和第八调制波荡器420，第三色散消除系统410由一块第十七四极铁和反向垂直第十八二极铁构成。电子束通过第三色散消除系统410消除由第三色散产生系统220引入的色散，再经过第八调制波荡器420以消除第七调制波荡器210的能量调制，使电子束恢复到发光前的状态。电子束和超快激光注入到第七和第八调制波荡器的方式与根据本发明的第一实施例的高通量同步辐射光产生装置相同。
[0061]
图7a-7c为根据本发明的第一至第五实施例的高通量同步辐射光产生装置的电子束在结构中不同位置处的微聚束产生及消除示意图，其中，图7a显示了电子束的初始状态，图7b显示了经过调制系统后形成微聚束的状态，图7c显示了电子束经过辐射系统和调制消除系统后的状态。如图7a-7c所示，图中横坐标为电子在束团中的纵向位置，纵坐标为电子束横向发散角，在经过调制系统2后，电子束可有效形成短波长尺度的微聚束，可用于产生短波长的相干辐射，且在经过调制消除系统后，电子束可基本恢复到初始状态，用于下一次发光。
[0062]
本发明的实施例提供的高通量同步辐射光产生装置，通过调制系统2在电子束中产生极紫外至x射线波长尺度的微聚束，通过辐射系统使其产生高通量辐射光，通过调制消除系统3使电子束发光后恢复到初始状态，以实现电子束的重复利用和高重复频率发光；本发明的高通量同步辐射光产生装置，采用二极铁、四极铁、超快激光器和波荡器等元件组成，造价低，技术难度小，运行成本低。
[0063]
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的
简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。