稳态微聚束理论及实验研究

Theoretical and Experimental Studies on Steady-state Microbunching

作    者：邓秀杰          

指导教师：黄文会

培养院系：工程物理系           

学    科：核科学与技术

读博感言：请假我一个夏季，一个秋季，让我的诗歌成熟

加速器光源是探索物质结构及动态特性的最前沿工具之一，目前其生力军是同步辐射光源和自由电子激光，可分别提供高重复频率和高峰值亮度(功率)的辐射光。为结合二者特性，一种高平均功率、高重频相干光源原理“稳态微聚束”(Steady-state microbunching, SSMB)被提出。SSMB储存环内电子束长相比传统储存环达6个数量级的跨越，为加速器物理的研究提供了广阔的机遇。本论文围绕SSMB的理论和实验展开，并取得重要成果。论文工作，既对新型加速器光源的物理和技术探索具有开拓性的意义，也对工业需求的高功率、高性能光源提供了全新的解决思路。

纵向动力学方面，考虑准等时环中局部滑相因子的影响，为精确描述SSMB的动力学，论文发展并应用纵向Courant-Snyder理论，推导给出了超出经典定标律的新的束长、能散和发射度公式。在此基础上，论文提出并深入分析了实现SSMB所需超短束长和超低纵向发射度的方法，即同时优化全局及局部滑相因子从而操控全环纵向β函数。该理论也被用来分析采用多个射频系统时的纵向强聚焦动力学。

横纵向耦合动力学方面，论文给出了束团长度被动拉伸的理论推导，并基于此分析了利用等时性消色散结构来实现束团偏转时维持纵向精细结构的方法。之后论文推广了利用横纵向耦合实现高效的谐波产生和束团压缩的分析，发现并证明了支配束团所需能量调制强度与调制及辐射单元处加速器光学函数关系的两个定理。相关工作可用于利用横纵向耦合降低SSMB对调制激光功率需求的物理设计。

微聚束辐射方面，论文发展了三维刚性电子束团相干辐射的一般理论方法，研究显示长度3 nm、平均流强1 A的微束团串可以产生波长13.5 nm、平均功率1 kW的极紫外辐射。特别地，论文首次推导给出了用于量化束团横向尺寸对相干辐射影响的广义横向形状因子。另外，论文关于电子束团相干辐射涨落的分析预期在包括SSMB在内的加速器物理和技术发展——如束流诊断中，发挥重要作用。 

实验部分，我们首次在柏林MLS储存环上验证了SSMB的工作机理。我们展示了储存在准等时环中的电子束，经过波长1064 nm的激光能量调制后，可产生并多圈维持亚微米精度的微聚束，实现相干发光。实验结果证明电子的光学相位，即纵向位置，能以短于激光波长的精度逐圈关联。在此关联的基础上，采用相位锁定的激光与电子束逐圈相互作用，我们预期电子可被稳态地束缚在激光形成的光学势阱中形成SSMB。该实验是SSMB光源发展的第一个里程碑。 

我们还首次实验验证了二阶横纵向耦合效应导致的束团能散展宽，利用该效应可提升现有准等时电子储存环内的稳定流强和相干辐射功率。

[1]. Deng, X., et al. Nature 590.7847: 576-579 (2021).

[2]. Deng, X. J., et al. Phys. Rev. Accel. Beams 24.9: 094001 (2021).

[3]. Deng, X. J., et al. Phys. Rev. Accel. Beams 23.4: 044002 (2020).

[4]. Deng, X. J., et al. Phys. Rev. Accel. Beams 23.4: 044001 (2020).

[5]. Deng, X. J., et al. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 1019: 165859 (2021).

[6]. Tang, C. & Deng, X.  Acta Phys. Sin. (2022).