Проект оптимизации формы офсетного зеркала в FEL

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 9653 (2023) Цитировать эту статью

401 доступ

Подробности о метриках

В настоящее время, благодаря преимуществам высокой пиковой мощности, высокой средней мощности, сверхкороткому импульсу и полностью когерентным характеристикам, лазер на свободных электронах с высокой частотой повторения (ЛСЭ) процветает во многих странах мира. Тепловая нагрузка, вызванная ЛСЭ с высокой частотой повторений, представляет собой серьезную проблему для формы поверхности зеркала. Особенно в случае высокой средней мощности, как идеально контролировать форму зеркала для поддержания когерентности луча, становится сложной проблемой при проектировании канала луча. В дополнение к многосегментному ЦТС, когда для компенсации формы зеркала используются несколько резистивных нагревателей, тепловой поток (или мощность), генерируемый каждым нагревателем, должен быть оптимизирован для получения погрешности высоты субнанометра. В данной статье установлена ​​модель MHCKF для деформации поверхности зеркала под совместным воздействием начальной деформации зеркала, тепловой деформации, вызванной рентгеновскими лучами, и деформации, компенсированной несколькими нагревателями. Путем поиска члена возмущения в математической модели можно получить решение по методу наименьших квадратов для тепловых потоков, генерируемых всеми нагревателями. Этот метод позволяет не только установить множество ограничений на тепловые потоки, но и быстро получить их значения при минимизации ошибки формы зеркала. Оно позволяет решить проблему трудоемких процессов оптимизации, с которой сталкивается традиционное программное обеспечение для анализа методом конечных элементов, особенно в контексте многопараметрической оптимизации. В этой статье основное внимание уделяется смещенному зеркалу в луче ЛСЭ-1 на станции S3FEL. Используя этот метод, оптимизация 25 тепловых потоков, генерируемых всеми резистивными нагревателями, была достигнута за несколько секунд с использованием обычного ноутбука. Результаты показывают, что среднеквадратическая ошибка высоты уменьшилась с 40 нм до 0,009 нм, а среднеквадратическая ошибка наклона уменьшилась с 192,7 нрад до 0,4 нрад. Моделирование волновой оптики показывает, что качество волнового фронта значительно улучшилось. Кроме того, были проанализированы некоторые факторы, влияющие на погрешность формы зеркала, такие как количество нагревателей, более высокая частота повторения, коэффициент пленки и длина медной трубки. Результаты показывают, что модель MHCKF и алгоритм оптимизации могут эффективно решить задачу оптимизации компенсации формы зеркала с помощью нескольких нагревателей.

В последние годы, благодаря быстрому развитию сверхпроводниковых технологий, появилась возможность разработать пользовательскую установку рентгеновского лазера на свободных электронах (ЛСЭ) с высокой частотой повторения. В мире проектируется или строится несколько объектов, таких как европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL)1, FLASH2, источник когерентного света Linac II (LCLS-II)3 и Шанхайский высокоповторяющийся Hard X. -лучевой лазер на свободных электронах (SHINE)4. В Китае, помимо SHINE, Шэньчжэньский сверхпроводящий лазер на свободных электронах на мягких рентгеновских лучах (S3FEL) является новым источником света, находящимся на стадии разработки в Институте перспективных научных исследований (IASF) в Шэньчжэне. S3FEL состоит из непрерывного сверхпроводящего линейного ускорителя с энергией 2,5 ГэВ и четырех начальных ондуляторных линий, целью которых является генерация рентгеновских лучей с энергией от 40 эВ до 1,24 кэВ на частоте до 1 МГц5. Первая очередь S3FEL включает в себя четыре канала, среди которых FEL-1 будет работать в режиме SASE с частотой повторения до 100 кГц. Оптическая схема ЛСЭ-1 представлена ​​на рис. 1.

Оптическая схема канала ЛСЭ-1 на S3FEL.

Целью проекта FEL-1 является создание трех экспериментальных конечных станций, включая станцию ​​когерентной дифракционной визуализации с временным разрешением (tr-CDI), рентгеновскую фотоэлектронную станцию ​​при поверхностном давлении окружающего воздуха (AP-XPS) и станцию ​​резонансного рассеяния мягкого рентгеновского излучения. (включая RIXS и REXS) соответственно. Как показано на рис. 1, для удовлетворения требований экспериментальных станций используется множество зеркал. Первое зеркало в луче, смещенное зеркало (M1), имеет решающее значение для поддержания стабильности фотонов и длины волны. Согласно Критериям Марешаля6, для когерентной передачи среднеквадратическая ошибка высоты офсетного зеркала должна быть менее 0,9 нм, а среднеквадратическая ошибка наклона должна быть менее 100 нрад, что более строго, чем у зеркал в установках синхротронного излучения. Поэтому необходимо выбрать соответствующую схему управления формой.