BFEL实现红外和X射线双波段运行的初步设计

　　20世纪90年代以来,随着强激光技术和高亮度、强流相对论电子加速器的发展,激光与相对论电子束的康普顿散射成为具有实用价值的新型光源。该作用过程与同步辐射光源中高能电子通过静磁波荡器产生的同步辐射相类似(这里激光被看成电磁波荡器),这种新光源被称为激光同步辐射光源(LSS)[1]。LSS中的波荡器产生同一光波波长的辐射光所需的电子能量比同步辐射低2个量级以上,是一种紧凑的高亮度X和γ光源,特别在光子能量大于100 keV以上的X和γ光,其亮度是目前所有光源中最高的。

　　实现LSS的技术途径主要有利用普通高功率激光和自由电子激光(FEL)与高亮度相对论电子束的对撞两类,前者散射光子能量调变主要靠改变电子能量,调节精度比较低;后者可通过改变波荡器的参数和电子的能量精密、大范围地调变散射光子的能量,而且通过改变波荡器的偏振可方便地改变散射光的极化状态。它们的主要困难是激光与电子束在对撞点的时空重叠。如果用FEL腔内激光代替腔外激光与电子的康普顿散射,激光与电子脉冲时空重叠自然满足。因此,FEL腔内背散射成为目前这类光源最成功、可靠的技术途径之一[2-4]。

　　1999年,我们在北京自由电子激光装置(BFEL)上成功地进行了腔内康普顿背散射初步实验,但由于激光功率和输出效率太低,所获得的X射线通量低还达不到用户要求[5-6]。目前BFEL正在进行升级改造,以满足用户对红外激光X射线通量和亮度的要求。本文将讨论把BFEL扩展为具有红外和X射线两个波段输出的用户装置所需解决的物理和技术问题,并对其进行初步的概念设计。

　　1　自由电子激光器双波段运行简介

　　基于储存环和直线电子加速器驱动的自由电子激光振荡器装置中,相对论电子束的微束团通过处于光学谐振腔内的波荡器产生自发辐射,辐射光经上下游高反射率的反射端镜的多次反射,并与后续进入的一系列新电子微束团不断作用,引起电子束团的分布从光波周期的幅度调制到密度群聚的转化,从而产生受激辐射,而且随着激光场的不断增强,这种转化过程随之不断加快,束团在光波长内的密集程度也越高,所产生的电磁辐射的相干度也越来越高,最后达到稳定的饱和状态,这是FEL装置的主要工作过程。此外,在自由电子激光振荡器中还发生另一个过程:即由下游端镜反射回来的反向激光脉冲与后续注入的正向电子束团发生对撞,即发生所谓逆康普顿背散射,根据电子的能量和FEL工作波长不同,可发出X射线束或γ光。

　　在一般的FEL振荡装置中这种背散射产生的高能光子辐射往往成为下游端镜损伤的主要因素之一。双波段运行不但可以把这种弊转换为利,也是进一步挖掘FEL装置功能的一种有益尝试,并已在实验上获得成功,成为获得光子能量可调的X射线或γ射线光源的新途径。其X射线的脉冲谱亮度可与二代同步辐射相比拟,而对于100 keV以上的硬X射线和γ射线,其谱亮度可高于目前的同步辐射光源。