[论文解读] A compact accelerator for MHz high repetition rate soft x-ray free electron laser

Ji Qiang|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2026

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers被引用 0

一句话总结

该论文提出在一个循环的超导线性加速器上使用多达多个90度弧和 MBA 晶格的并行结构，建立一个紧凑的 MHz 软 X 射线自由电子激光器，以在<100米的占地内实现1 nm辐射，并分析 ISR/CSR 对束质量的影响。

ABSTRACT

High-brightness X-ray Free Electron Lasers (FELs) produce spatially and temporally coherent pulses on attosecond to femtosecond timescales, providing a transformative tool for discovery across biology, chemistry, physics, and materials science. This paper proposes a compact accelerator that enables a high-repetition-rate (MHz) 1 nm soft X-ray FEL with a footprint of less than 100 meters. Such an FEL is suitable for installation within research institution settings where space is limited. The accelerator leverages a multi-turn recirculating linear accelerator that integrates state-of-theart superconducting accelerator technology with recent advances in diffraction-limited storage rings. We present the conceptual layout and analyze the impact of two most challenging factors for such a compact accelerator, incoherent and coherent synchrotron radiation. We have systematically studied both effects for different multi-bend achromat lattices and electron beam peak currents. For a peak current of 60 Ampere before final compression and using 11-bending magnets, the horizontal emittance growth after the 90-degree arc can be kept below 10%, demonstrating that these effects are not limiting factors for achieving high-quality electron beams. Such a compact X-ray FEL facility would substantially reduce both construction and operational costs, greatly expanding access to these powerful research tools. Furthermore, this concept provides a potential upgrade path to generating hard X-ray radiation by incorporating high accelerating gradient structures to further accelerate a portion of the MHz electron beam.

研究动机与目标

• 在研究实验室尺度的占地内推动紧凑、成本效益高的高重复率 X 射线 FEL 设施。
• 提出带整合注入器、三次谐波线性整形器、90度 MBA 弧和末端压缩的循环式超导线性加速器架构。
• 评估在弧段中的不相干和相干同步辐射对发射度及能量展宽的影响。
• 通过引入高梯度结构，概述生成硬 X 射线辐射的升级路径。

提出的方法

• 使用对向的两台 SRF 线性加速器组成的循环式 X 射线 FEL 设施概念布局。
• 采用紧凑的多偏折消像弧以保持小的横向发射度。
• 通过解析估计与宏粒子模拟评估在11–弯90°弧中的 ISR/CSR 和空间电荷效应。
• 对纵向动力学建模，包括末端压缩（10–20x）和被动去色烙以消除啁啾。
• 利用 FEL 共振与增益长度方程（如 lambda_r、rho、L_G0）来估算辐射性能和 undulator 要求。

Figure 1 : Schematic plot of the compact x-ray FEL facility.

实验结果

研究问题

• RQ1 紧凑循环 SRF 线性加速器是否可在<100米占地、1 MHz 重复率下实现1 nm 软 X 射线 FEL 辐射？
• RQ2 在GeV能量的11弯MBA弧中，ISR 与 CSR 对发射度和能量展宽的限制是什么？
• RQ3 在紧凑设计中，何种峰值电流与压缩方案能够在高亮度与可控发射度之间取得平衡以实现 MHz 运作？
• RQ4 要在<50米的 undulator 大厅实现 GW 级饱和，需要的束参数（发射度、能量、电流）为何？

主要发现

• 最终电子束能量约为1.8 GeV，峰值电流约1 kA，发射度小于2 mm mrad 即可在1 nm下产生 GW 级的相干 X 射线辐射。
• 在11个90° MBA 弧中的 ISR/CSR 若弧设计得当，可不限制性能，使关键配置的发射度增长保持在约10% 左右。
• 由于每个弧使用更多的弯磁，CSR 引发的发射度增长得到缓解；在初始电流小于70 A 时，11弯弧的最终水平发射度增长低于10%（7弯和9弯弧有更低的阈值）。
• 所提出的设施长度<100 m（包含加速器和 undulators），undulator 大厅长度<50 m，适合成本效益高、对空间要求受限的安装。
• 基于 Langevin/Fokker-Planck 处理，研究配置中的 IBS 被发现可忽略。
• 最终的 FEL 参数（饱和功率约0.8–1.3 GW、增益长度约1.0–1.6 m）取决于最终发射度和电流，但紧凑布局下可实现 GW 级软 X 射线输出。

Figure 2 : Schematic layout of a multi-bend achromat 90-degree arc.