第1页共24页编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第1页共24页项目名称：新概念、高效率X射线自由电子激光（FEL）物理与关键技术研究首席科学家：赵振堂中国科学院上海应用物理研究所起止年限：2011.1至2015.8依托部门：中国科学院第2页共24页第1页共24页编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第2页共24页二、预期目标对全相干、高效率的X射线FEL的各种新概念和技术途径进行深入的探索研究，跟上国际FEL领域发展的最前沿，力争取得具有原创性的成果，形成有特色的、先进的X射线FEL方案，为发展超快、高亮度、高效率、完全相干的第四代光源作出贡献；从理论与实验两个方面掌握全相干、高效率FEL的相关关键技术，如ERL、外种子谐波型FEL（级联HGHG、EEHG等）、超低发射度的高亮度注入器等，为我国未来建造先进的X射线FEL奠定技术和人才基础。五年中，本项目将达到以下预期目标：(1)提出和研究XFEL的新概念和关键物理问题，完成级联HGHG、EEHG、XFELO及ERL技术应用于X射线FEL的理论及可行性研究，在此基础上给出实现全相干、高效率、高性价比、先进的X射线FEL的优化方案；(2)在深紫外自由电子激光装置上实现两级级联HGHG的原理验证实验，并开展相关的实验研究，全面掌握级联HGHG自由电子激光的辐射特性；(3)在深紫外自由电子激光装置上实现基于EHGHG以及EEHG的自由电子激光运行模式的验证实验，并开展深入的实验研究；(4)在对光阴极材料、光阴极注入器结构进行系统研究的基础上，研制能够满足XFEL低发射度要求,发射度小于1um,具有创新结构的光阴极注入器；（5）研制出满足ERL高平均流强要求的射频超导腔，Q值不小于2x1010，对强流下高阶模的影响进行分析并找到吸收HOM功率的有效途径，设计并研制出适用于ERL的超导加速单元；（6）集成ERL实验装置，开展各种相关实验研究，全面掌握ERL技术，为基于ERL的XFEL打下良好的基础；（7）通过实现上述目标，培养出5-6名FEL及ERL领域的青年学术带头人，培养20名以上博士研究生。第3页共24页第2页共24页编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第3页共24页三、研究方案本项目的研究内容包括了理论探索研究、综合实验研究和关键部件研制等三个方面，理论探索研究主要以模拟计算为基础，全面分析各种FEL新机制的可行性并提出最优方案；综合实验研究的开展则需根据实验目标建设完善实验装置，制定详细的实验计划；关键部件研制则首先提出方案设想，然后在理论分析、模拟计算基础上完成设计方案，之后研制成样机并开展试验研究，根据实验结果再对原设计进行完善。1．理论探索研究全相干、高效率的X射线FEL是国际上FEL研究的重要研究方向和热点。本项目将从理论上对全相干、高效率的X射线FEL的各种新概念和技术途径进行深入的探索研究；在已有的理论及实验研究基础上，建立完整的理论分析模型和适用于外种子谐波型FEL及FELO的、高效的数值模拟程序包。本项目的最大特色是理论与实验相结合。通过本项目的外种子谐波型FEL（级联HGHG、EEHG）实验和ERL-FEL振荡器实验，验证理论模型和数值模拟程序的可靠性，并对其进行完善。在此基础上，进一步探索提高X射线FEL品质、降低X射线FEL装置规模的有效途径；利用理论模型和数值模拟程序，对X射线FEL新概念和新技术途径中的关键物理问题进行分析。基于建成的实验装置，设计相应的实验方案，对理论分析和数值模拟结果进行验证，更好地完善理论模型和数值模拟程序，从而为FEL（特别是外种子谐波型FEL及FELO）的研究提供通用、可靠的工具，为未来建造硬X射线FEL装置提供完善的理论支持与保障。获得全相干、高效率的X射线FEL是目前整个FEL研究领域瞄准的一个重要目标。虽然目前提出了一系列新概念和新途径，如级联HGHG、EEHG、XFELO以及基于ERL技术的XFEL等，但要实施还需开展大量深入细致的基础性研究工作。而且随着加速器技术、波荡器技术等的突破，必将会为建造全相干、高效率的X射线FEL提供新的契机。因此开展新概念、高效率XFEL的基础研究，是一项开创性的工作。2．综合实验研究1）超高次谐波自由电子激光的关键技术与原理验证实验第4...
