開放諧振腔SP FEL中電子注與高頻場互作用的粒子模擬研究.pdf

1、Smith-Purcell自由電子激光簡稱SP FEL，是自由電子激光的一個重要分支。本文對Smith-Purcell效應和開放腔SP自由電子激光器件進行了比較深入、全面的研究，取得了一些有價值的研究成果。 本文首先根據(jù)Smith-Purcell自由電子激光理論，對一種新型自由電子激光器的特性進行研究。特別討論了SmLith-Purcell效應振蕩器，主要對電子運動方程以及注波互作用關(guān)系進行了分析。分析了開放式諧振腔的優(yōu)點、光學

2、諧振腔的衍射理論并且介紹了開放式諧振腔的穩(wěn)定球面腔解。 利用二維的粒子模擬方法，采用了在開放矩形腔內(nèi)設(shè)置平板光柵的結(jié)構(gòu)模擬出了Smith-Purcell輻射現(xiàn)象。利用單電子束團從光柵表面經(jīng)過并在腔中設(shè)置多個不同角度的觀察點，通過觀察縱向磁場的等勢圖、腔內(nèi)多點的諧振頻率以及電子束團的動量空間分布圖，來研究Smith-Purcell效應，以及SP輻射波和散射波的區(qū)別。當單電子束團從光柵表面經(jīng)過時會激勵SP輻射，SP輻射波的頻率會隨著

3、角度的變化而變化，根據(jù)模擬結(jié)果得出的輻射頻率與角度的變化曲線與根據(jù)Smith-Purcell輻射公式畫出的理論曲線非常吻合。利用多個電子束團在光柵表面經(jīng)過，通過觀察縱向磁場的等勢圖，來研究SP超輻射現(xiàn)象。通過對模擬結(jié)果進行分析和總結(jié)，SP超輻射也就是SP輻射的二次與三次諧波，輻射波的輸出角度也與Smith-Purcell輻射公式一致。設(shè)計三種不同的光柵結(jié)構(gòu)(矩形、梯形、倒梯形)，研究光柵形狀對SP輻射和散射波輻射頻率的影響。然后采用在圓

4、筒腔內(nèi)設(shè)置圓筒柵結(jié)構(gòu)，采用與以上相同的方法，同樣觀察到了SP輻射波與散射波，以及SP超輻射。模擬結(jié)果同樣與Smith-Purcell輻射公式非常吻合，也進一步證明了矩形結(jié)構(gòu)的正確性。 對新型的開放式的Smith-Purcell自由電子激光器進行了建模，并利用二維的粒子模擬方法對冷腔以及注波互作用進行研究。通過研究兩種不同情況的諧振腔，包括設(shè)置角度輸出口和不設(shè)置角度輸出口的兩種結(jié)構(gòu)，設(shè)計并模擬了三種不同形狀的光柵，給出了各種激光器