高增益自由电子激光的先进优化算法研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 曾理 |
| 答辩日期 | 2021 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) |
| 导师 | 赵振堂 |
| 关键词 | 自由电子激光 先进优化算法 基于束流的准直技术 高级应用软件 超快模拟程序 脉冲重构 反馈系统 |
| 英文摘要 | 作为目前世界上最亮的加速器光源,X射线自由电子激光(X-ray Free Elec-tron Lasers,XFELs)第一次使得在百皮米的空间尺度与阿秒的时间尺度上研究自然现象的奥秘成为了可能。它能产生具有高峰值功率(通常高于1GW)、短脉冲长度(通常短于1ps)、高峰值亮度(大约1032photons/s/mrad2/mm2/01%BW)、空间全相干等优异特性的辐射光脉冲。这些新颖的特性大大地推动了量子材料、凝聚态物理、原子分子光学、晶体学、光化学、结构生物学、医学等不同研究领域的进步。FEL是靠着将一部分电子束能量转化为辐射光能量来实现光脉冲输出的。具体来说,它是利用电磁场与相对论电子束之间的相互作用,在周期性变化的磁场中从电子束提取能量并将其转换为高功率辐射光脉冲。但是对目前绝大多数的FEL装置而言,这种从电子束到辐射光的能量转化效率(η=Pradiatian/Pe-beam)很低,大致只有电子束总能量的千分之一。另一方面,FEL装置是现有的最大、数据最密集、系统最复杂的大型科学装置之一。装置各个子系统之间的相互关系通常都是非线性的,系统动力学会涉及较大的参数空间,很难通过人工手动优化整个装置。由于这种内在的机制与外在的困难,高增益自由电子激光装置的优化越来越依靠先进优化算法。在这样的背景下,本论文的核心内容就是结合装置建设过程中的各种需求,利用先进优化算法来解决相应的FEL物理问题。本文首先从理论和实验两个方面研究了电子束轨道的准直,这是电子束与辐射场能否高效耦合的核心。在理论研究方面,结合上海软X射线自由电子激光装置(Shanghai Soft X-ray Free-Electron Laser Facility,SXFEL)进行了系统的模拟分析,并得出了束流位置监测器的分辨率对FEL功率的影响。同时,利用改进的遗传算法提出了一种新的基于束流的准直技术,这种方法克服了传统束流准直方法的理论缺陷,可以完美地解决低能加速器驱动的FEL装置上束流准直实验遇到的困难,为软X射线自由电子激光装置束流准直实验提供了一种新的可选方案。在实验研究方面,在SXFEL上开展了初步的束流准直实验,实验结果表明电子束轨道得到了一定程度的提升,为装置的调试与优化提供了基础条件。除此之外,本文还从基础调束软件与高级优化程序两个方面研究了高增益FEL装置的在线优化算法,这是装置调试与参数优化的基础。在基础调束软件方面,为SXFEL试验装置辐射段开发了一套调束软件,它拥有的十余种功能模块可以很好地满足调束实验人员日常需求,目前这些模块运行稳定可靠,为SXFEL试验装置的调试奠定了基础。在高级优化程序方面,开发了一款自由电子激光快速模拟程序——FALCON,借助于衍射因子和特殊的调制段设计,它不仅将模拟效率提升了约两个量级,也使得模拟任意情况下种子激光与电子束的相互作用成为可能。利用这款模拟程序,对Taper进行了深入的研究并提出了一种新的高效率自由电子激光原理。更重要的是,这款程序能用于装置FEL脉冲特性的在线预测,帮助研究人员实时获得更多束流与装置状态的信息。另外,还完成了基于遗传算法的在线自动调束实验、搭建了种子激光横向位置反馈系统。最后,本文提出了一种新的超快FEL脉冲单发在线诊断方法并结合SXFEL的级联HGHG运行模式分析了这种方法在装置调试过程中的作用。对于绝大多数超快FEL而言,电子束团发光的部分相较于整个电子束团很小,所以采用了局部加权多项式回归的方法来估计电子束初始中心能量与能散分布。这种方法能在FEL装置调束过程中提供稳定可靠的单发辐射脉冲纵向信息。基于这种方法,可以直接实时观测到FEL脉冲在增益过程中的演化并可以在线对两级辐射的脉冲特性进行相关性分析,这帮助研究人员实现了 SXFEL参数优化与最终出光。同时,提出了一种时间分辨率优于3 fs的激光-电子束相对到达时间反馈系统,它可以很好地维持输出FEL辐射的脉冲能量。如今,基于先进优化算法的方法在技术上已足够成熟,可以用于解决FEL领域的各类问题。未来这些先进优化算法必将在高增益FEL研究领域中发挥越来越重要的功能。 |
| 语种 | 中文 |
| 源URL | [http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/33832]  |
| 专题 | 中科院上海应用物理研究所2021-2022年 |
| 作者单位 | 1.中国科学院上海应用物理研究所 2.中国科学院大学; |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 曾理. 高增益自由电子激光的先进优化算法研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所). 2021. |
入库方式： OAI收割
来源：上海应用物理研究所
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