Self-seeded operation of the LCLS hard X-ray FEL in the long-bunch mode
LCLS基线的自播种选项最近进行了研究，使用的方案依赖于布拉格传输几何中的单晶单色器。LCLS低电荷（0.02 nC）的操作模式被认为是为了证明所提出的方案的可行性。来自直线加速器和波荡器真空室的尾场效应在如此低的电荷下大大减小，并且可以忽略。在本文中，我们扩展我们以前的调查的情况下，LCLS模式的操作与名义收费。基于LCLS的开始到结束的电子束电荷为0.25 nC的模拟，并占波荡器真空室的尾场，我们证明了同样最简单的自播种系统（两个波荡器之间的单晶单色器）是适当的，不仅短（几个飞秒）束，但更长的束。
2010-12-16 physics.acc-ph
Natural noise and external wake field seeding in a proton-driven plasma accelerator
本文讨论了质子束流驱动等离子体加速器中自然散粒噪声散粒噪声的水平。等离子体尾流场所需的播种必须大于累积的散粒噪声。这是产生的尾流轴对称和加速质量的必要条件。我们开发的噪声场的分析理论，并比较它与多维模拟。看来，在等离子体中产生的自然噪声尾场由在欧洲核子研究中心的超质子同步加速器（SPS）聚束是非常低的，在几个10千伏/米的水平。这一幸运的事实减轻了对种子的要求。我们的三维模拟表明，即使是几十兆电子伏的电子束前体的一个非常温和的强度是足够的种子质子束自调制等离子体。
2012-04-16 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Controlled Growth of the Self-Modulation of a Relativistic Proton Bunch in Plasma
在等离子体中传输的细长相对论带电粒子束团具有自调制不稳定性。我们表明，质子束团的SM可以通过由前一个电子束团驱动的尾场来播种。SM定时再现性和控制处于调制周期的一小部分的水平。通过这种播种方法，我们独立地控制种子尾场的幅度与电子束团的电荷和SM的增长率与质子束团的电荷。播种导致较大的增长的尾流场比在不稳定的情况下。
2022-03-25 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Techniques to seed the self-modulation instability of a long proton bunch in plasma
本文介绍AWAKE实验中两种质子束自调制种子注入方法的实验结果，并探讨其对含等离子体密度阶跃的后续实验及未来两段式等离子体实验设计的影响。
2023-04-30 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Beam debunching due to ISR-induced energy diffusion
提高X射线自由电子激光（XFEL）纵向相干性的方法之一是采用微聚束电子束作为种子。最近提出了几种方案，导致显着幅度的光束聚束在X射线波长。所有这些方案都依赖于具有几个磁偶极子的束流光学。当光束通过偶极子时，由于同步辐射的量子效应，其能量扩展增加。结果，由于具有不同能量的电子在弯曲中遵循不同的轨迹，因此小波长处的聚束因子减小。严格计算了光束沿任意光束线传输时，非相干同步辐射引起的聚束因子的减小。我们应用一般的结果来估计减少谐波电流的共同计划提出XFEL播种。
2012-07-20 physics.acc-ph
A simple method for controlling the line width of SASE X-ray FELs
本文介绍了一种新的单束团自注入方案，用于从基线XFEL波荡器产生高度单色的X射线。以前的方案利用布拉格几何中的四晶体固定出口单色器。在这样的单色器中，X射线脉冲获得厘米长的路径延迟，这必须被补偿。对于单束团自播种方案，这需要长的电子束旁路，这意味着基线波荡器配置的修改。为了避免这个问题，最近提出了一种基于特殊的光注入器设置的双束团自播种方案。在方差，在这里，我们提出了一种新的时域单色化的方法，利用一个单晶的传输方向，从而避免了额外的路径延迟的X射线脉冲的问题。该方法可以使用时间窗口技术来实现，仅需要用于电子聚束的磁延迟。所提出的设置非常简单，仅由两个简单的元件组成。它们是水晶和短磁弯道，它自己完成三项任务。它为晶体安装创建偏移，它去除在第一波荡器中产生的电子微聚束，并且它充当用于时间窗口的延迟线。使用安装在基线波荡器中的短磁弯道内的单晶，可以将辐射的带宽降低到远超过XFEL设计的10 E-5。磁弯道的安装不会扰动波荡器聚焦系统，并且不会干扰基线操作模式。我们目前的可行性研究和欧洲XFEL的SASE 2线的范例。
2010-04-23 physics.acc-ph
Three-dimensional manipulation of electron beam phase space for seeding soft x-ray free-electron lasers
在这封信中，提出了一种简单的技术，诱导强的密度调制到电子束与小的能量调制。通过采用横向色散电子束和波前倾斜种子激光器的组合，可以利用电子束相空间的三维操纵来显著增强种子自由电子激光方案的微聚束，这将改善单级种子自由电子激光的性能并扩展其短波长范围。理论分析和数值模拟证明了该技术在软X射线自由电子激光中的应用能力。
2014-04-18 physics.acc-ph
Self-seeding scheme with gas monochromator for narrow-bandwidth soft X-ray FELs
自注入方案由两个波荡器和一个单色器组成，旨在减小SASE X射线自由电子激光的带宽。我们最近提出了一种新的单色化方法，利用布拉格传输几何中的单晶在硬X射线范围内进行自播种。在这里，我们认为这种方法的一个可能的扩展到软X射线范围内使用的细胞充满了共振吸收气体作为单色。气体中的透射光谱表现出窄带宽的吸收共振。然后，类似于硬X射线情况，发射的辐射脉冲的时间波形的特征在于长单色尾流。事实上，自由电子激光脉冲迫使气体原子以与向前传播的单色辐射束一致的方式振荡。尾流中的辐射功率远大于电子聚束中的等效散粒噪声散粒噪声功率。进一步地，辐射脉冲的单色尾流与延迟的电子聚束组合并且在第二波荡器中被放大。所提出的设置非常简单，并且由少至两个简单的元件组成。这些是气室，充满惰性气体，和一个短的磁性弯道。磁弯道的安装不会扰动波荡器聚焦系统，并且不会干扰基线操作模式。在本文中，我们评估的基础上使用的He和Ne的气体单色器的特性。我们分析了单色仪气室内外的过程，也涉及了差动泵送系统的性能。我们研究了使用所提出的自接种技术在LCLS-II软X射线束线中产生窄带宽软X射线辐射的可行性。我们提出的概念设计，技术实现和预期的性能的气体单色器自播种计划。
2011-03-25 physics.acc-ph
Physics to plan AWAKE Run 2
我们简要介绍了计划的AWAKE运行2实验所考虑的基本物理原理。这些原理基于在运行1期间获得的实验结果以及从数值模拟结果和其他实验获得的知识。运行2的目标是加速具有窄的相对能量扩展和对于应用足够低的发射度的电子聚束。该实验将使用两个等离子体，电子束种子SM过程中，轴上的外部注入的电子束和电子束参数，以达到等离子体吹出，束流加载和束流匹配。
2020-04-08 physics.acc-ph
Extending the photon energy coverage of an x-ray self-seeding FEL via the reverse taper enhanced harmonic generation technique
本文提出了一种扩展软X射线自注入自由电子激光光子能量范围的简单方法。一个正常的单色器首先应用于净化自由电子激光光谱，并提供一个相干播种信号。然后，该相干信号与随后的反向锥形波荡器部分中的电子束相互作用，以生成强相干微聚束，同时保持电子束的良好质量。之后，将预聚束电子束发送到第三波荡器区段中，所述第三波荡器区段在种子的目标高谐波处谐振以放大较短波长处的相干辐射。三维模拟结果表明，该自注入方案可以完全覆盖光子能隙1.5 keV ~ 4.5 keV之间的能量范围，并可获得100 GW级的峰值功率.
2017-01-16 physics.acc-ph
Extension of self-seeding scheme with single crystal monochromator to lower energy < 5 keV as a way to generate multi-TW scale pulses at the European XFEL
我们提出了一个使用的自播种计划与单晶单色器，以产生高功率，完全相干脉冲的应用程序在一个专用的生物成像光束线在欧洲X射线自由电子激光在3.5 keV和5 keV之间的光子能量范围。利用厚度为0.1 mm的金刚石晶体中的C（111）布拉格反射（π偏振），通过对SASE 3型波荡器的40个单元进行锥形化，FEL功率在整个光子能量范围内可达2 TW。本设计假设使用标称电子束能量为17.5 GeV、电荷为0.1 nC的标称电子聚束。在这项工作中提出的方案的主要应用是单个蛋白质分子的Single Shot成像。
2012-07-09 physics.acc-ph
Self-seeding scheme for the soft X-ray line at the European XFEL
本文讨论了提高欧洲自由电子激光器在软X射线领域能力的潜力。高纵向一致性将是这种性能升级的关键。为了达到这一目标，我们研究了一个非常紧凑的软X射线自播种计划最初设计在SLAC [1，2]。该方案基于光栅单色器，可以直接安装在欧洲XFEL的SASE 3波荡器光束线上。对于欧洲XFEL完全相干软X射线脉冲是特别有价值的，因为他们自然支持提取更多的自由电子激光功率比在饱和状态下，通过利用可调间隙SASE 3波荡器的锥形。锥形化包括波荡器间隙从段到段的逐步改变。基于开始到结束的模拟，我们表明，软X射线自由电子激光功率达到约800吉瓦，这是约一个数量级高于SASE水平在饱和（100吉瓦）。在这项工作中研究的自播种设置是非常紧凑的（约5米长），成本效益。这最后一个特点可以证明，从运行阶段的一开始，它就被认为是欧洲XFEL能力的一个可能的补充。[1]Y. Feng，J. Hastings，P. Heimann，M. Rowen，J. Krzywinski和J. Wu，“软X射线自注入LCLS-II的X射线光学”，2010年自由电子激光会议论文集，瑞典马尔默，（2010年）。[2]Y. Feng，P. Heimann，J. Wu，J. Krzywinski，M. Rowen和J. Hastings，“用于LCLS-I软X射线自籽晶的紧凑光栅单色器设计”，https：//slacportal.slac…
2012-02-23 physics.acc-ph
Proton beam self-modulation seeded by electron bunch in plasma with density ramp
等离子体中的种子自调制可以将长质子束转换成可以在长距离上激发强尾流场的微束团的训练，但这需要等离子体具有一定的密度分布和短尺度的斜升。对于欧洲核子研究中心AWAKE实验的参数，我们数值研究了如果用短电子束团作为自调制的种子，哪种密度分布是最佳的。利用最佳剖面，可以将尾流场“冻结”在大约一半的破波水平。高能电子束（160 MeV）的种子效率低于低能电子束（18 MeV），因为前者的尾场持续时间比有效播种所需的时间长。
2020-07-15 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Adiabatic Focusing of a Long Proton Bunch in Plasma
我们在实验中表明，一个长的，相对论质子束集中的等离子体绝热响应。自由等离子体电子迁移以中和聚束的空间电荷场，并且聚束因此被由其自身电流产生的方位角磁场聚焦，该方位角磁场不被径向电场平衡。由于束团的长度远大于等离子体电子的波长，束团也经历自调制不稳定性。因此，尾波场的振幅沿束团和沿等离子体增长，并且自调制的散焦效应可以变得比绝热聚焦效应占主导地位。我们发现，当播种的自调制与前一个电子束，绝热响应的效果和自调制的效果之间的过渡依赖于种子尾场的振幅。
2022-08-25 physics.acc-ph physics.plasm-ph
High brightness fully coherent X-ray amplifier seeded by a free-electron laser oscillator
X射线自由电子激光振荡器（XFELO）有望成为产生全相干X射线激光的前沿工具，而波荡器锥度技术是提高自由电子激光（FELs）效率的有效方法。为了结合这两种方案的优点，提出了一种简单的利用啁啾电子束的XFELO种子自由电子激光放大器。通过选择合适的光束参数，束团尾部在XFELO的增益带宽内，激光达到饱和，这将作为进一步放大的种子。同时，在XFELO的增益带宽之外的束团头被保留下来，并用于后续的自由电子激光放大器。结果表明，束流自然的“双喇叭”效应和回旋压缩器的剩余能量啁啾都很适合于这种新方案。继承XFELO播种和波荡器锥形化的优点，可以产生近太瓦级的完全相干X射线脉冲，具有前所未有的拍摄到拍摄的稳定性，这可能会在各个研究领域开辟新的科学机会。
2017-11-03 physics.acc-ph
Pulse-front tilt caused by the use of a grating monochromator and self-seeding of soft X-ray FELs
自播种是一种很有前途的方法，显着缩小SASE带宽的XFEL产生近变换限制的脉冲。这种方案在软X射线波长范围内的发展必然涉及光栅作为色散元件。这些引入，在一般情况下，脉冲前倾斜，这是成正比的角色散。脉冲前沿倾斜可以容易地导致种子信号减小两倍或更多倍。最后给出了在自注入装置中如何减小脉冲前沿倾斜效应的建议。
2012-03-29 physics.acc-ph physics.optics
Grating monochromator for soft X-ray self-seeding the European XFEL
自播种是一种很有前途的方法，显着缩小SASE带宽的XFEL产生近变换限制的脉冲。这种方法在软X射线波长范围内的实施必然涉及光栅作为色散元件。我们研究了一个非常紧凑的自播种计划与光栅单色器最初设计的SLAC，它可以直接安装在SASE 3型波荡器光束线在欧洲XFEL。单色器的设计是基于一个环形VLS光栅工作在一个固定的入射角安装没有入口狭缝。它的光谱范围从300 eV到1000 eV。光学系统的研究使用波动光学方法（与光线追迹比较），以评估性能的自播种计划。我们的波动光学分析考虑到实际光束波前的辐射从相干自由电子激光源，三阶像差，并从每个光学元件的错误。波动光学是设计无出射狭缝的自注入单色器的唯一方法。我们表明，没有出口狭缝，自播种计划的区别是非常需要的实验简单，实际上可以提供相同的分辨率（约7000）与出口狭缝。波动光学也自然适用于计算自注入方案的效率，其中包括单色透过率和种子束与电子束之间的失配的影响。模拟结果表明，自由电子激光功率达到1TW，TW脉冲的谱密度比饱和SASE脉冲的谱密度高两个数量级。
2013-03-06 physics.acc-ph physics.optics
Arc and Chicane Bunch Compression Schemes for Hard and Soft X-Ray Free Electron Laser Facilities: A Comparison
MAX IV Laboratory（MAX IV 实验室）；STFC Daresbury Laboratory（STFC 达尔斯伯里实验室）；Cockcroft Institute（科克克罗夫特研究所）；ANSTO-Australian Synchrotron（澳研中心-澳大利亚同步辐射加速器）；Lancaster University（兰卡斯特大学）；University of Liverpool（利物浦大学）
本文比较了弧形和急转弯压缩方案在硬X射线和软X射线自由电子激光设施中的性能，发现全弧压缩和五磁铁方案能显著提升XFEL性能。
2026-03-09 physics.acc-ph
Scheme to increase the output average spectral flux of the European XFEL at $14.4$ keV
像非弹性X射线散射（IXS）和核共振散射（NRS）这样的技术目前受到X射线源处可用光子通量的限制。在$14.4$ keV处，第三代同步辐射源在meV带宽中每秒产生最大$10^{10}$光子。在这项工作中，我们讨论了利用高重复率的自种子脉冲在欧洲XFEL的流量增加了一千倍的可能性。在这里，我们报告的SASE 2光束线在欧洲XFEL的优化配置的可行性研究，结合自播种和波荡器锥形技术，以增加在$14.4$千电子伏的平均光谱通量。特别地，我们建议在$7.2$ keV下进行单色化，并在输出波荡器的第一部分中放大种子。放大过程可以在饱和之前的位置停止，在该位置处，电子束在相干辐射的第二谐波处得到相当大的聚束。输出波荡器的第二部分随后被调谐到二次谐波频率，即在$14.4$ keV，并用于在该能量下获得饱和。可以通过使输出波荡器的最后部分逐渐变细来进一步延长光子与电子束之间的能量交换。我们进行了从开始到结束的模拟和证明，自播种，结合波荡器锥形，允许一个实现超过一百倍的平均光谱通量增加相比，标称SASE制度在饱和，导致最大通量的顺序$10^{13}$光子每秒在兆电子伏带宽。
2015-08-18 physics.acc-ph
Simulations of Bunch Merging in a Beta Beam Decay Ring
为了进一步研究中微子振荡的性质，提出了一个β束装置。具有高动能的β衰变离子被存储在具有直截面的存储环（“衰变环”）中以产生纯聚焦（反）电子中微子束。然而，为了在实验中达到对中微子振荡参数的高灵敏度，必须优化DR中的聚束强度和占空比。第一个基于CERN的方案，使用6He和18Ne作为中微子源，已经使用一束合并RF计划进行了研究。两个不同频率的RF腔用于捕获新注入的聚束，然后将它们合并到存储的聚束中。结果表明，该方案能够满足实验对光强和占空比的要求。这个合并方案现在已经用新的模拟软件进行了修改，为6He和18Ne提供了新的结果。此外，束合并已被研究的第二个基于CERN的方案使用8Li和8B。
2011-09-08 physics.acc-ph
Proposal for a scheme to generate 10 TW-level femtosecond x-ray pulses for imaging single protein molecules at the European XFEL
使用XFEL辐射的单生物分子成像是一种新兴的蛋白质结构测定方法，该方法使用近原子分辨率的“破坏前衍射”方法。这种生物成像实验的关键参数是光子能量范围、峰值功率、脉冲持续时间和横向相干性。最大的衍射信号是在支持给定分辨率的最长波长处实现的，该分辨率应优于0.3 nm。我们提出了一种配置，它结合了自播种和波荡器锥形技术与发射扰流器的方法，以增加XFEL输出峰值功率和缩短脉冲持续时间的水平足以进行生物成像的单蛋白质分子在最佳光子能量范围内，即约4千电子伏。LCLS的实验证实了这三种新技术的可行性。基于开始到结束的模拟，我们证明了自播种，结合波荡器锥形，允许一个实现高达100倍的峰值功率增加。在最后一个束团压缩器中增加了一个开槽箔，用于控制X射线脉冲持续时间。模拟表明，可以实现衍射所需的分辨率与50毫焦耳（对应于1e14光子）每10 fs脉冲在3.5 keV的光子能量在100 nm的焦点。这一结果举例说明使用光系统I膜蛋白作为案例研究。
2013-06-04 physics.acc-ph
Statistical analysis of hard X-ray radiation at PAL-XFEL facility performed by Hanbury Brown and Twiss interferometry
在PAL-XFEL装置上进行了基于二阶相关的Hanbury Brown和Twiss干涉测量实验。本实验研究了X射线辐射的统计特性。测量在NCI光束线在10 keV的光子能量在各种操作条件下进行：自放大自发发射（SASE），SASE与单色器，和自播种制度在120 pC，180 pC，和200 pC的电子束团电荷，分别。统计分析表明，短的平均脉冲持续时间从6 fs到9 fs取决于操作条件。对于具有单色和自注入操作机制的SASE光束，在空间域中确定了约70-80%的高空间相干度。所得到的数值描述了PAL-XFEL装置产生的光束的统计特性。
2022-03-25 physics.acc-ph physics.optics
Constraints on photon pulse duration from longitudinal electron beam diagnostics at a soft X-ray free-electron laser
X射线自由电子激光器（FEL）的成功运行，如直线加速器相干光源或汉堡的自由电子激光（FLASH），使得在原子长度和超快时间尺度上对物质进行前所未有的研究成为可能。然而，为了利用这些独特的光源，并满足光子科学中许多实验的严格要求，自由电子激光光子脉冲持续时间需要是已知的和可调的。这可以通过控制FEL驱动电子束来实现，并且可以利用高分辨率纵向电子束诊断来提供对预期FEL光子脉冲持续时间的约束。在本文中，我们提出了软X射线脉冲宽度和电子束团长度在FLASH的比较测量。软X射线脉冲持续时间测量自由电子激光辐射脉冲能量统计，并比较电子束团长度确定的相干跃迁辐射在太赫兹范围内的频域光谱和时域纵向相空间测量。实验结果，理论分析和模拟表明，高分辨率纵向电子束诊断提供合理的约束预期的自由电子激光光子脉冲持续时间。此外，我们证明了软X射线脉冲的产生与持续时间低于50 fs（半高宽）后，新的均匀的电子束团压缩计划在FLASH的实施。
2012-03-06 physics.acc-ph
From ultracold electrons to coherent soft X-rays
软X射线光谱范围内的电磁辐射（$1-100~\rm{nm}$波长或$0.01-1~\rm{keV}$光子能量）在基础研究和工业应用中的重要性正在迅速增加。目前，只有大型同步加速器和自由电子激光（FEL）才能提供先进应用所需的相干程度和平均光子通量，严重限制了应用范围。我们提出了一个完全相干的软X射线源，基于逆康普顿散射（ICS）的电子束团产生的激光冷却和捕获的原子气体的光电离。通过将光电离过程的空间调制与射频聚束压缩技术相结合，可以实现软X射线波长下的微聚束，从而实现相干放大，从而产生软X射线桌面康普顿光源。
2019-05-10 physics.acc-ph physics.atom-ph
Arc-Like Variable Bunch Compressors
由消色差弧形成的电子聚束压缩器具有优于更常用的弯道压缩器的天然优势，因为纵向相空间的线性化具有正确的符号以补偿由rf加速度留下的曲率。在这里，我们扩展了电弧压缩机的实用性，使在固定的足迹内的纵向压实的变化。我们还表明，这种可变性可以实现独立的顺序顺序的动量偏差。我们采用的技术包括额外的偶极子，导致的有利属性，可以实现可变性，而不会招致显着的惩罚方面的色彩退化。我们通过与另一种系统的比较表明了这一点，在这种系统中，利用额外的四极杆来实现动量压缩的变化。在瑞典MAX IV直线加速器升级的背景下，正在考虑这些替代方法中的每一种，以使软X射线自由电子激光（FEL）除了其现有的功能之外。
2020-09-03 physics.acc-ph
Synthesis of Electron Microbunching Rotation for Generating Isolated Attosecond Soft X-ray Free-electron Laser Pulses
本文提出利用两束具有相互延迟和倾斜波前的激光在电子束团内合成微聚束旋转，以增强电流对比度，并结合锥形波荡器抑制边峰，从而产生孤立百阿秒级GW级软X射线自由电子激光脉冲。
2024-09-05 physics.acc-ph
Beam energy distribution influences on density modulation efficiency in seeded free-electron lasers
波荡器系统入口处的束流能散对高增益种子自由电子激光的有效密度调制至关重要。本文研究了高增益谐波产生（HGHG）、回波激励谐波产生（EEHG）和相位合并增强谐波产生（PEHG）方案中高次谐波微聚束效应与电子能散分布的关系。理论研究和多维数值模拟的情况下，均匀和鞍形光束的能量分布，并与传统的高斯分布。结果表明，均匀和鞍形电子能量分布显著提高了HGHG自由电子激光器的性能，而对EEHG和PEHG方案几乎没有影响。数值计算表明，在84 keV RMS均匀和/或鞍形片能散的条件下，软X射线自由电子激光装置的单级注入方案可以直接产生30次谐波辐射。
2014-12-31 physics.acc-ph
Generation of doublet spectral lines at self-seeded X-ray FELs
自注入方案由两个波荡器和一个单色器组成，旨在减小SASE X射线自由电子激光的带宽。我们最近提出了一种新的单色化方法，利用布拉格传输几何的单晶在硬X射线范围内进行自播种。一个简单的扩展是使用这种单色器设置，其中两个或更多个晶体串联排列，以在自由电子激光增益带内的两个紧密间隔的波长处对SASE辐射进行光谱滤波。这允许产生双重或多重谱线。应用涉及在窄波长范围内截面变化大的任何过程，如在多波长异常衍射中。在这里，我们考虑的LCLS硬X射线自由电子激光在两个紧密间隔的波长的同时操作。我们目前的LCLS基线的模拟结果，产生两个纵向模式之间共享的完全相干辐射。模式间隔可以很容易地在自由电子激光增益带内调谐。的XFEL输出强度包含振荡的“模式拍”的组成部分，其频率是有关的纵向模式之间的频率差考虑。在饱和时，获得自由电子激光引起的调制的能量损失和能量扩散的电子束团在光频率，这可以转换成密度调制在相同的光频率使用弱的弯道安装在基线波荡器后面。在光学跃迁辐射（OTR）站的帮助下，可以产生强大的相干辐射。我们还考虑了如何的双重结构的XFEL产生光谱可以监测的光谱仪。OTR相干辐射脉冲自然地与X射线脉冲同步，并且可以用于将XFEL定时为具有飞秒精度的高功率常规激光器，用于泵浦探测应用。
2010-11-17 physics.acc-ph
Positron Bunch Radiation in the System of Tightly Packed Nanotubes
A.I. Alikhanyan National Science Laboratory (Yerevan Physics Institute)（阿·伊·阿里哈尼扬国家科学实验室（埃里温物理研究所））；Yerevan State University（埃里温国立大学）
紧密排列的碳纳米管系统可产生高强度近单色圆形偏振软X射线光子束，能量约3 keV。
2025-12-29 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Purified SASE undulator configuration to enhance the performance of the soft x-ray beamline at the European XFEL
最近在SLAC提出的纯化SASE（pSASE）波荡器配置有望增加XFEL的输出光谱密度。在这篇文章中，我们研究了一个简单的实现这种配置的软X射线光束线在欧洲XFEL。几个波荡器单元，在自由电子激光辐射的次谐波谐振，在指数制度的中间使用，以放大辐射，同时减少自由电子激光带宽。基于从开始到结束的模拟，我们表明，与所提出的配置的光谱密度在1.3 keV和3 keV之间的光子能量范围内，可以提高一个数量级相比，基线模式的操作。该选项可以在没有附加硬件的情况下被实现到可调间隙SASE 3基线波荡器中，并且它与针对相同波荡器线提出的具有光栅单色器的自播种选项互补，光栅单色器可以覆盖约0.26 keV和1 keV之间的光子能量范围。
2013-08-01 physics.acc-ph
Switchyard design for the Shanghai soft x-ray free electron laser facility
本文针对上海软X射线自由电子激光装置，提出了一种可行的开关站设计方案。在所提出的方案中，开关站被用来传输电子束到不同的波荡器线。对束流在传输过程中的动力学行为进行了三维模拟。结果表明，电子束通过开关站后，发射度增加不超过10%，同时，电子束的峰值电流、能散和束团长度没有受到影响。分析了束流的微聚束不稳定性和直线加速器的抖动。
2017-05-14 physics.acc-ph
Attosecond Waveform Synthesis through Echo-enabled Harmonic Generation Free-electron Lasers
本文提出基于EEHG自由电子激光器的波形合成新方法，通过多谐波合成产生可调谐的软X射线阿秒脉冲串，模拟实现3.5 GW峰值功率和160阿秒脉冲，为阿秒科学研究提供稳健平台。
2025-10-15 physics.acc-ph
A Multi-Channel THz and Infrared Spectrometer for Femtosecond Electron Bunch Diagnostics by Single-Shot Spectroscopy of Coherent Radiation
自由电子激光（FEL）中所需的高峰值电流是通过将电子聚束纵向压缩到亚皮秒长度来实现的。在本文中，频域诊断方法描述，是能够解决结构的飞秒制度。研制了一种用于太赫兹和红外相干辐射光谱测量的新型真空光谱仪。该光谱仪配备了五个连续的色散光栅和120个并行读出通道;它可以在短波长模式（5 - 44 μ m）或长波长模式（45 - 430 μ m）下工作。快速并行读出允许从单电子聚束相干辐射光谱。在软X射线自由电子激光FLASH上进行的相干跃迁辐射测试表明，该谱仪具有良好的性能。低至几微米的高灵敏度允许研究例如由磁弯道中的微聚束效应引起的短聚束特征。该装置计划在常规自由电子激光运行期间用作在线束团轮廓监测器。
2012-01-29 physics.acc-ph physics.ins-det
Self-Seeded FEL Wavelength Extension with High-Gain Harmonic Generation
为了扩展软X射线自由电子激光的波长，我们研究了一种自种子高增益谐波产生（HGHG）自由电子激光（FEL）方案。该方案使用常规的自播种单色器来产生波长为1.52 nm的种子激光，然后通过HGHG配置来产生GW级的相干窄带宽谐波辐射。二次和三次谐波辐射的研究与开始到结束的模拟。详细研究了自由电子激光器的性能和发射波动。
2016-04-06 physics.acc-ph
Generating coherent soft x-ray pulses in the water window with a high-brightness seeded free-electron laser
提出了一种利用种子自由电子激光产生高亮度、时间相干软X射线辐射的新方案。该方案是基于相干谐波产生（CHG）和超辐射原理。首先使用CHG方案在种子的超高次谐波处产生相干信号。这个相干信号，然后放大了一系列的回旋波荡器模块通过新鲜的聚束和超辐射过程在下面的辐射。使用一组具有代表性的现实参数，三维模拟已经进行，模拟结果表明，10 GW级的超短相干辐射脉冲的水窗口中可以实现通过使用所提出的技术。
2016-09-04 physics.acc-ph
Line shape of soft photon radiation generated at zero angle in an undulator with a dispersive medium
该研究探讨含介质极化的带电粒子束团波荡器辐射问题，发现色散介质零角度下软光子波长满足条件时微束团相干辐射，可产生强准单色定向X射线束，具备广泛应用潜力。
2024-12-12 physics.acc-ph physics.class-ph physics.optics
Spectrotemporal shaping of attosecond x-ray pulses with a fresh-slice free-electron laser
本研究提出一种在自由电子激光上对阿秒X射线脉冲进行相干整形的方案，通过控制波荡器锥形分布实现脉冲维格纳函数整形，可产生可控脉冲对、序列及宽频孤立脉冲，并在现有XFEL上实验验证了相位稳定脉冲序列的生成与控制。
2025-02-11 physics.acc-ph physics.optics physics.plasm-ph
Emission of Low-Energy Photons by Electrons at Electron-Positron and Electron-Ion Colliders with Dense Bunches
通常，电子-正电子（或电子-离子）束团碰撞中低能光子的发射是用与同步辐射（束辐射）相同的方法计算的。然而，对于软光子（E_gamma < E_c，其中E_c是临界光子能量），当辐射的相干长度变得与聚束长度相当时，束致辐射近似变得无效。在本文中，我们提出了我们的计算结果为基础的经典电流近似的区域。我们考虑几个碰撞机与密集束。在能量间隔dE_gamma中，由N_e个电子每束穿过发射的低能光子数dN_gamma为dN_gamma = alpha g N_e dE_gamma/E_gamma，其中alpha是精细结构常数，并且取决于束参数的函数g对于现代对撞机来说通常是单位阶的。特别地，对于ILC，当束轴位移为零时，E_c = 83 keV，g=5.5;对于KEKB，g=0.88，E_c= 0.24keV。我们还计算了dN_gamma对两个光束轴之间的碰撞参量的具体依赖关系。原则上，后一方面允许在线监测射束轴线位移。
2009-01-30 hep-ph physics.acc-ph
Automatic tuning of Free Electron Lasers
现有的自由电子激光装置经常受到稳定性问题的困扰：因此，电子轨道，横向电子光学，电子束团压缩和其他参数必须经常重新调整，以考虑各种组件性能的漂移。在操作中通常采用的调谐过程通常是手动的且冗长的。我们一直在开发一种无模型和基于模型的自动调谐方法的组合，以满足目前和即将到来的XFEL设施的需求。我们的方法已在FLASH \cite{flash}实现自动SASE调谐使用经验控制的轨道，电子光学和聚束压缩。在本文中，我们描述了我们的经验调整的方法，实现它的软件，并使用它在FLASH的结果。我们还讨论了在调整方法中使用机器学习和基于模型的技术的潜力。
2017-04-07 physics.acc-ph
Reversible electron beam heating for suppression of microbunching instabilities at free-electron lasers
由于在现有和未来的X射线自由电子激光（FEL）中高亮度电子束的压缩而导致的微聚束不稳定性的存在导致可达到的激光性能的限制，并且使得利用光学跃迁辐射的束成像是不可能的。不稳定性可以通过引入额外的能量扩展来抑制，即，“加热”电子束，如通过在直线加速器相干光源处的激光加热器系统的成功操作所证明的。增加的能量扩展对于自放大自发发射FEL通常是可容忍的，但限制了诸如播种的先进FEL方案的有效性。在本文中，我们提出了一个可逆的电子束加热系统的基础上，两个横向偏转射频结构（TDS）的上游和下游的磁聚束压缩机弯道。在第一个TDS中引入额外的能量扩展，抑制微聚束不稳定性，然后在第二个TDS中消除。通过计算和模拟，包括相干同步辐射的影响，我们证明了微聚束增益抑制的可行性。可接受的电子束和射频抖动的确定，和固有的选择，诊断和在线监测的电子束的纵向相空间进行了讨论。
2012-01-17 physics.acc-ph
Electron Cloud Measurements in Fermilab Booster
为支撑费米实验室PIP-II强度升级目标，针对增强器同步加速器的电子云效应限制问题，采用逐束团调谐偏移测量、微波相位分析两种方法开展电子云探测，并结合PyECLOUD模拟给出对应结果。
2023-07-19 physics.acc-ph
High repetition rate and coherent Free-Electron Laser in the tender X-rays based on the Echo-Enabled Harmonic Generation of an Ultra-Violet Oscillator pulse
在线性响应状态下对物质进行精细的时间分辨分析-即光谱学和光子散射-需要fs尺度的脉冲、高重复率、完全相干的X射线源。由超导直线加速器驱动的种子自由电子激光（FEL）可以满足这一需求，它可以产生2-5 keV的$10^{8}$ - $10^{10}$相干光子，重复频率约为0.5 MHz。所提出的种子方案是回波使能谐波产生，由工作在13.6 nm的自由电子激光振荡器与基于钼硅镜的腔体提供支持。这里通过从开始到结束的模拟来描述X射线生成的整个链。通过与自放大自发辐射和新聚束谐波级联的比较，验证了该方案的有效性。
2021-05-17 physics.acc-ph physics.app-ph
Possible operation of the European XFEL with ultra-low emittance beams
最近的成功激光的直线加速器相干光源（LCLS）在硬X射线制度和实验演示的可能性，以产生低电荷束与超小的归一化发射度导致的讨论乐观的情况下操作的欧洲XFEL。在本文中，我们考虑新的选择，利用低发射度的光束，相对较高的光束能量，可调间隙波动器，和多聚束的能力，这个设施。我们研究了在SASE模式下，在设计的光子能量范围为20-90 keV的自发辐射器（结合其中两个，U1和U2，在一个光束线）的操作的可能性，并表明，它成为可能与超低发射率的电子束类似的LCLS中产生的。作为一个额外的有吸引力的选择，我们认为强大的软X射线和真空紫外辐射的产生由相同的电子束泵探测实验，利用最近发明的紧凑的加力方案。我们还提出了一个电子感应加速器切换器作为一个简单的，廉价的，和强大的解决方案，SASE 1和SASE 2波荡器的多色操作，允许产生2至5个不同的独立颜色的X射线光束从每个这些波荡器同时多用户操作。我们描述了一个计划的泵浦探测实验，基于生产的两个不同的颜色由两个紧密间隔的电子束（产生在光电注入器）的帮助下，一个非常快的电子感应加速器开关。最后，我们将讨论如何没有重大修改的布局，欧洲XFEL可以成为一个独特的设施，不断覆盖强大的，相干辐射的一部分，从远红外线的电磁波谱的伽马射线。
2010-01-21 physics.acc-ph
Ultra-bright Coherent Undulator Radiation Driven by Dielectric Laser Accelerator
介质激光加速器，工作在光学频率和GHz的脉冲速率，预计产生阿秒电子束团与一个中等的束流在高能量。对于相对论电子，阿秒束团的空间长度为几纳米，非常适合在真空紫外、极紫外和X射线光谱中产生高亮度的超辐射。研究表明，在0.1 ~ 3 keV光子能量范围内，即使介质激光加速器的束流功率比同步加速器的束流功率低100万倍左右，由束流电荷数为1~10 fC的短束流驱动的相干波荡器辐射的亮度也与同步加速器相当或更高。当比较下的亮度被归一化为电子束功率时，所提出的相干波荡器辐射源成为地球上跨越整个VUV、EUV和软X射线光谱的最亮的源。
2022-08-08 physics.acc-ph physics.optics
Design and Commissioning of A Beam Distribution System for Multiple Undulator Line Operation of the SXFEL-UF
作为提高X射线自由电子激光装置效率和可用性的一项重要措施，通过束流分配系统实现多条波荡器线同时工作已成为近年来建成的XFEL装置的标准配置。在上海，中国第一个软X射线自由电子激光用户装置SXFEL-UF已于近日完成建设并开始调试。直线加速器输出的电子束通过一个偏转线为6°的束流分配系统在两条平行的波荡器束线之间交替分配。束流分布系统的设计保证了束流的低发射度、高峰值电荷和小束团长度等特性不受影响。为了保证光束质量，需要很好地抑制色散、相干同步辐射和微聚束不稳定性等光束集体效应。在这项工作中，详细的物理设计的光束分配系统的描述和最近的调试结果报告。
2022-04-22 physics.acc-ph
Efficient frequency doubler for the soft X-ray SASE FEL at the TESLA Test Facility
本文描述了一种用于SASE自由电子激光的有效倍频方案。它由一个调谐到第一谐波的波荡器、一个色散部分和一个调谐到第二谐波的锥形波荡器组成。第一级是常规的软X射线SASE自由电子激光。它的增益被控制在这样一种方式，即在出口处的电子束的最大能量调制是约等于本地的能量扩展，但仍然远离饱和。当电子聚束通过色散部分时，这种能量调制导致粒子的有效压缩。然后，聚束电子束进入锥形波荡器，在相干减速过程中产生强辐射。我们表明，倍频方案可以集成到SASE自由电子激光在TESLA测试设施在DESY，并将允许达到3 nm波长的GW级的输出峰值功率。这将把自由电子激光的工作范围扩大到所谓的水窗，并大大扩大专题信托基金自由电子激光用户设施的能力。
2003-07-18 physics.acc-ph physics.optics
Partially Coherent X-Ray Oscilex Radiation from a FEL-Modulated Positron Bunch during Its Planar Channeling in a Crystalline Undulator
研究正电子束在晶体行波中通道化时产生的部分相干振荡辐射，揭示其频率特性及高增益机制。
2025-12-10 hep-ex hep-ph physics.acc-ph
Extreme bright coherent synchrotron radiation produced in a low emittance electron storage ring by the angular dispersion induced microbunching scheme
短波长范围内极亮相干同步辐射的产生在同步加速器光源界引起了极大的兴趣。本文采用一种新的相干辐射产生技术，即利用角色散通过微小幅度的能量调制来增强微聚束。该方案可以插入储存环的长直段中。本文提出了一种能量为3.5GeV的极低发射度储存环的晶格设计，它采用了高阶消色差（HOA）的概念。我们展示了多弯消色差（MBA）晶格的设计结果，发射度为20 pm-rad，周长约900米。数值模拟表明，这种角色散诱导的微聚束方案可以在软X射线附近产生相干辐射，重复频率可达10 kHz，光谱亮度可达3*10^24phs/s/mm^2/mrad^2/0.1%BW。
2020-03-19 physics.acc-ph
Optimization of a dedicated bio-imaging beamline at the European X-ray FEL
最近，我们提出了一个基本概念的设计和布局的波荡器源的专用生物成像光束线在欧洲XFEL。这里提出的优化方案的目标是使实验简化和性能提高。该方案的核心是由软、硬X射线自注入装置组成。基于对两个单色器的改进设计的使用，可以在2 keV和13 keV之间的光子能量范围内将设计电子能量增加到17.5 GeV，这对于生命科学实验是最优选的。在如此高的电子能量下操作的优点是X射线输出峰值功率的增加。另一个优点是17.5 GeV是SASE 1和SASE 2束线用户的首选操作能量。由于必须以相同的电子能量运行所有的XFEL线，因此这种选择将减少与其他波荡器线的干扰，并增加预定束时间的总量。在这项工作中，我们还提出了一个研究的自播种计划占时空耦合所造成的使用单晶单色器的性能。我们的分析表明，这种失真是很容易抑制的正确选择的金刚石晶面和拟议的波荡器源产生的性能大约相同的情况下，X射线种子脉冲没有耦合。模拟结果表明，在3 keV - 5 keV光子能量范围内，自由电子激光的功率可达2 TW，这对于单生物分子成像是最理想的。
2012-09-26 physics.acc-ph
Transform-Limited X-Ray Pulse Generation from a High Brightness Self-Amplified Spontaneous Emission Free-Electron Laser
介绍了一种在自由电子激光（FEL）中实现高亮度自放大自发发射（HB-SASE）的方法。该方法利用重复的非等电子束延迟来使集体自由电子激光相互作用离域，并打破辐射相干长度对自由电子激光合作长度的依赖。该方法不需要外部播种或光子光学，因此适用于任何波长或重复率。它表明，使用线性理论和数值模拟的辐射相干长度可以增加约两个数量级以上SASE与相应的光谱亮度增加。举例说明了HB-SASE在软X射线中产生的变换极限脉冲和在硬X射线中产生的近变换极限脉冲。这种脉冲可能极大地有利于现有的应用，也可能开辟新的科学研究领域。
2012-12-23 physics.acc-ph
Characterization of soft X-ray echo-enabled harmonic generation free-electron laser pulses in the presence of incoherent energy modulations
回波谐波产生自由电子激光器（EEHG FEL）利用紫外激光的高次谐波频率上转换产生完全相干的软X射线脉冲。然而，EEHG的最终光谱极限仍然不清楚，因为在输出光谱中由电子束中的残余宽带能量调制引起的加宽和失真。我们提出了一个数学描述的非相干（宽带）的能量调制的聚束谱产生的微聚束不稳定性通过加速器和EEHG线的影响。该模型是在协议的费米EEHG自由电子激光的光子能量范围$130-210$ eV的系统实验表征。我们发现，放大的电子束能量畸变主要在EEHG色散部分解释了观察到的自由电子激光光谱亮度的减少，是成比例的EEHG谐波数。在色散区强度和第一种子激光脉冲能量的适当平衡下，发现了自由电子激光光谱亮度和光谱稳定性的局部极大值。这种特性为用户实验和未来的EEHG实现提供了一个基准，旨在达到更短的波长。
2021-06-08 physics.acc-ph
Analysis of the microbunching instability in a mid-energy electron linac
自由电子激光（FEL）装置的直线加速器（Linac）中普遍存在微聚束不稳定性。如果不加以有效控制，将严重损害光束质量，使机器无法正常运行。在软X射线自由电子激光装置的电子直线加速器中，由于电子的能量不是很高，这个问题会变得更加严重。作为一个典型的例子，本文用解析公式和模拟工具详细研究了上海软X射线自由电子激光装置（SXFEL）直线加速器中的微聚束不稳定性。在研究中，提出了一种新的机制，引入随机噪声的束流剖面作为束流通过一个弯道型聚束压缩器。在模拟中出现的高阶模式表明，需要进一步改进目前的理论模型的不稳定性。
2014-06-25 physics.acc-ph
Nonequilibrium electron rings for synchrotron radiation production
用于产生同步辐射（SR）的电子存储环具有受平衡束流发射度限制的输出光子亮度。通过使用交错注入和喷射束从源的重复率大于1 kHz，我们表明，它是切实可行的，以克服这个限制的能量环~1 GeV。足够短的冲击脉冲长度能够实现许多毫安的有效电流，这可以提供衍射限制的软X射线光子的显著通量。因此，现有的SR设施可以适用于非平衡操作，或者应用该技术来构造小于其存储环等效物的SR环。
2013-03-27 physics.acc-ph
MITHRA 1.0: A full-wave simulation tool for Free Electron Lasers
自由电子激光（FEL）是一种在硬X射线领域提供强、相干和明亮辐射的解决方案。由于自由电子激光设备的低壁插效率，这是至关重要的，另外非常有用的，以更好地优化自由电子激光相互作用，开发完整和准确的模拟工具。自由电子激光过程中涉及的高度复杂的动力学是阻碍开发通用模拟工具的主要障碍。本文提出了一种基于Lorentz提升坐标系的时域有限差分/粒子模拟（FDTD/PIC）的数值算法，能够对自由电子激光过程进行全波模拟。所开发的软件提供了一个合适的工具，自由电子激光相互作用的分析，而不考虑任何通常的近似。通过对束团静止坐标系的坐标变换，使束团尺寸、光波长和波荡器周期等不同长度尺度的数值变换为同阶数值。因此，FDTD/PIC模拟与高效的并行化技术相结合，使全波模拟使用可用的计算资源是可行的。利用所开发的软件对几个自由电子激光的实例进行了分析，并根据标准自由电子激光程序对结果进行了基准测试和详细讨论。
2016-12-10 physics.acc-ph physics.comp-ph
