[论文解读] A Highly Flexible Bunch Compressor for the APS LEUTL FEL

M. Borland, J. W. Lewellen+1 more|ArXiv.org|Aug 17, 2000

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 10被引用 23

一句话总结

本文提出了一种高度灵活的四极磁铁啁啾压缩器，用于APS LEUTL自由电子激光器，旨在将100–210 MeV电子束压缩至超过600 A的电流，同时通过可变控制R56和啁噫对称性来减轻相干同步辐射（CSR）效应。该系统支持束流发射度测量与诊断，以优化自由电子激光在120 nm及以下波长下的束流质量。

ABSTRACT

The LEUTL FEL at the APS has achieved gain at 530 nm with peak beam current \~100 A. In an effort to push to 120 nm and beyond, we have designed and are commissioning a bunch compressor to increase the peak current to 600 A or more. The bunch compressor uses a four-dipole chicane at an energy of 100 to 210 MeV. To provide options for control of emittance growth due to coherent synchrotron radiation (CSR), the chicane has variable R56. The central pair of dipoles is movable, accommodating variable R56 with less concern about emittance dilution from nonuniformity of the dipole field. The symmetry of the chicane is also variable via longitudinal motion of the final dipole, which is predicted to have an effect on emittance growth. Following the chicane, a three-screen emittance measurement system should permit resolution of the difference in emittance growth between various chicane configurations. A vertical bending magnet analysis line is present to permit imaging of correlations between transverse and energy coordinates. This paper reviews the features and expected performance of the chicane. A companion paper discusses the physics design in detail. Work supported by the U.S. Department of Energy, Office of Basic Energy Sciences, under Contract No. W-31-109-ENG-38.

研究动机与目标

• 设计一种束流压缩器，可将自由电子激光在120 nm波长下运行时的电子束流从100 A提升至600 A或以上。
• 通过可变R56和可调啁噫对称性，减轻由相干同步辐射（CSR）引起的发射度增长。
• 实现对束流质量特性的精确诊断，包括发射度、束团长度和能量-空间相关性。
• 支持LEUTL FEL的稳定、可重复运行，具备高束流质量和低能散。
• 为未来超短脉冲研究及能量升级至1 GeV提供平台。

提出的方法

• 束流压缩器采用四极磁铁啁噫结构，通过横向移动中间一对磁铁（B2/B3）实现可变R56，使R56调节范围为0至-65 mm。
• 通过纵向移动末端磁铁（B4）调节啁噫对称性，改变B3-B4与B1-B2之间距离比值，从1.0调节至2.0，以调控CSR效应。
• 采用三屏发射度测量系统，结合双倍放大率的束流成像标志，可精确分辨不同配置下的发射度增长。
• 在啁噫之后设置垂直能谱仪磁铁，用于成像x–δ相关性，以研究CSR和尾场效应。
• 使用单次测量空间分辨率达15 µm的束流位置监测器（BPM），以跟踪束流质心和稳定性。
• 利用相干辐射过渡（CTR）诊断系统和同步辐射光窗口，实现时间域与频率域的束团长度测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 啁噫结构中可变R56如何影响高电流电子束的相干同步辐射（CSR）引起的发射度增长？
• RQ2 啁噫不对称性——特别是改变B3-B4与B1-B2距离比值——对CSR引起的发射度增长有何影响？
• RQ3 可变R56与对称性调节的结合能否有效缓解CSR效应，以满足LEUTL FEL的束流质量要求？
• RQ4 CSR效应如何随束流电流增加而变化，特别是在超过600 A时？该压缩器设计是否能支持此电流范围？
• RQ5 诊断系统在多组不同啁噫配置下，对束流参数（发射度、束团长度、能散）差异的分辨能力如何？

主要发现

• 模拟结果预测，在600 A电流下，由于相干同步辐射（CSR）效应，发射度最大可能增长40%，表明这是影响束流质量的关键挑战。
• 通过实现可变R56（0至-65 mm）和可调啁噫对称性（B3-B4与B1-B2距离比值从1.0至2.0），有效控制CSR效应。
• 不对称配置（B3和B4的弯曲角度减小）在减轻CSR效应方面表现出轻微优势，且在电流超过600 A时优势更为显著。
• 三屏发射度诊断系统设计用于高精度分辨不同啁噫配置下的发射度增长差异。
• 采用单次测量空间分辨率达15 µm的束流位置监测器（BPM），确保束流稳定性和质心监控。
• 系统支持在120 nm波长下运行FEL，目标束团长度为0.55 ps（Δt80），在600 A下归一化发射度为5 µm，能散小于0.15%。