一种紧凑型波荡器的制作方法

本实用新型属于波荡器领域，具体涉及一种支持双电子束、双光束线的紧凑型波荡器。

背景技术：

传统激光是通过将介质中的电子泵浦到较高能级的亚稳态，在满足粒子数翻转和增益大于损耗的条件下，处于较高能级的电子向低能级跃迁，从而产生相干辐射所形成的。不同于传统激光器，自由电子激光是由电子加速器产生的相对论性电子束团在周期性磁铁(波荡器)中做扭摆运动产生的相干辐射。

波荡器作为一种产生周期性磁场的插入件，不仅是自由电子激光装置的核心部件，也是产生高亮度和高强度同步辐射光源不可或缺的一部分。正因此特性，波荡器所产生的X射线或更长波长的光子束也被应用于医学、农业和工业领域。

现阶段，安装于各大自由电子激光装置和同步辐射装置中的波荡器由典型的C型框架支撑，由于周期性磁铁间相当大的磁场力和位移精度的高要求，C型框架必须足够坚固，从而导致现有波荡器体积大、重量大，而又大又重的此类结构往往造价昂贵、占用空间大、安放困难、调节不便。

此外，目前的波荡器仅支持单电子束、单光束线，当实际应用中需用到双光束线时，则需要安装两个波荡器。然而，在一些已经运行或者已经完成建设的装置中，如美国的LCLS(直线加速器相干光源)、日本的SACLA(紧凑型硬X射线光源)以及我国上海的SXFEL(软X射线自由电子激光试验装置)，虽然在前期隧道建设过程中预留有一定的空间，但是受限于造价和面积的约束，这些建造而成的隧道中往往很难再摆放更多的波荡器结构。

技术实现要素：

本实用新型提供一种支持双电子束、双光束线的紧凑型波荡器，其既可以克服传统波荡器结构占用空间大，调节不便的缺点，又可以支持双电子束、双光束线运行，从而降低波荡器造价且不影响两套系统独立运行。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种紧凑型波荡器，包括一口字型的支撑框架以及设置在所述支撑框架内的两组磁结构、两组传动机构和两组驱动机构，其中，

每组所述磁结构分别包括两排磁体阵列，两排磁体阵列之间形成磁间隙；

每组所述传动机构分别与一组所述磁结构的两排磁体阵列连接，并设置为调节该组磁结构的磁间隙；

每组所述驱动机构分别与一组所述传动机构连接，并设置为驱动该组传动机构。

进一步地，每组所述传动机构分别包括两个滑动安装在所述支撑框架的边框上的传动大梁、以及两个分别固定在一传动大梁上的随动大梁，其中所述两个随动大梁上安装同一组磁结构的两排磁体阵列。

进一步地，所述磁体阵列与所述随动大梁之间设有垫片。

进一步地，所述磁体阵列包括周期性间隔设置的永磁体和铁磁体。

优选地，所述支撑框架的四个边框由一位于上方的基础大梁、一位于下方的底座、以及两个支撑在所述基础大梁与所述底座之间的立柱构成。

优选地，两组所述传动机构分别安装在不同立柱上。

优选地，两组所述传动机构安装在同一个立柱上。

优选地，一组所述传动机构安装在所述基础大梁上，另一组所述传动机构安装在所述底座上。

进一步地，所述驱动机构为伺服电机。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

首先，本实用新型的波荡器首先能够支持双电子束、双光束线，能够节省空间并降低造价，以美国LCLS为例，若采用传统波荡器，则隧道只能安装两条波荡器束线，而采用本实用新型紧凑型波荡器，可安装四条束线，同时，由于共享机械支撑等，每条波荡器束线单价可降低至原来的70％-80％；其次，由于两条波荡器束线之间的距离拉近，降低了自由电子激光束流分配系统的负担和压力，两组磁结构的磁间隙可以同时改变，可根据用户需求的自由电子激光波长对磁间隙进行独立调整，有较大的工作波长调节范围；除此之外，还能够在一套波荡器内实现两种自由电子激光模式并行运行，有利于验证现有模式和探索新模式，为今后的自由电子激光应用提供有效支持。

附图说明

图1A为本实用新型紧凑型波荡器的第一个实施例的结构示意图；

图1B为本实用新型紧凑型波荡器的第二个实施例的结构示意图；

图1C为本实用新型紧凑型波荡器的第三个实施例的结构示意图；

图2为本实用新型紧凑型波荡器中磁结构的局部示意图；

图3为图1A中两组磁结构在周期不同、磁间隙相同时两者之间的轴向磁场沿X方向的分布图；

图4为图1A中两组磁结构在周期不同、磁间隙不同时两者之间的轴向磁场沿X方向的分布图；

图5为图1A中两组磁结构周期不同、磁间隙相同时，周期较短的波荡器沿轴向的磁场周期性分布图；

图6为图1A中两组磁结构周期不同、磁间隙相同时，周期较长的波荡器沿轴向的磁场周期性分布图；

图7为图1A中两组磁结构周期不同、磁间隙不同时，周期较短的波荡器沿轴向的磁场周期性分布图；

图8为图1A中两组磁结构周期不同、磁间隙不同时，周期较长的波荡器沿轴向的磁场周期性分布图；

图9为图1A中两组磁结构周期不同、磁间隙不同时，两者的峰值磁场分布图；

图10为图1A中两组磁结构周期不同、磁间隙不同时，两者的参数K值分布图；

图11为图1A中两组磁结构周期不同、磁间隙不同时，两者产生的自由电子激光的中心波长分布图。

具体实施方式

为使本实用新型更加明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

图1A示出了本实用新型紧凑型波荡器的第一个实施例，其包括口字型的支撑框架以及设置在支撑框架内的两组磁结构、两组传动机构、以及两组驱动机构201、202。其中，支撑框架的四个边框由一位于上方的基础大梁101、一位于下方的底座104、以及两个支撑在基础大梁101与底座104之间的立柱102、103构成；每组磁结构包括两排相对设置的磁体阵列501和502、503和504，两排磁体阵列之间形成磁间隙；每组传动机构用于带动一组磁结构的两排磁体阵列501和502、503和504沿垂直于它们之间的磁间隙的方向移动，从而对磁间隙进行调整；驱动机构201、202均采用伺服电机实现，每组驱动机构用于驱动一组传动机构动作。需要说明的是，由于不同的辐射波长会导致波荡器的磁间隙宽度及磁场强度不同，因此支撑框架的整体宽度需由两组磁结构的磁场分布和自由电子激光辐射波长共同决定，而不同情况下的框架整体宽度都需具体优化得到。

在本实施例中，其中一组传动机构包括两个沿Y方向(即纵向)滑动安装在立柱102上的传动大梁301、302以及两个分别沿X方向(即横向)固定在传动大梁301、302上的随动大梁401、402，另一组传动机构包括两个沿Y方向滑动安装在立柱103上的传动大梁303、304以及两个分别沿X方向固定在传动大梁303、304上的随动大梁403、404，其中每个随动大梁401、402、403、404上安装对应的一排磁体阵列501、502、503、504，且磁体阵列501和502、503和504之间形成沿Y方向的磁间隙。在工作时，驱动机构201、202分别驱动传动大梁301和302、303和304沿立柱102、103滑动，从而通过随动大梁401和402、403和404带动磁体阵列501和502、503和504按实际需要Y方向随动，从而调整两组磁结构的磁间隙。不同于现有技术在支持双波束线时需采用两个C型波荡器，本波荡器将一对传统波荡器的基础大梁连接在一起，同时共用一底座，可实现整体吊装和运输。

图1B示出了本实用新型紧凑型波荡器的第二个实施例，与第一个实施例不同的是，两组传动机构的传动大梁301和302、303和304从上至下沿Y方向滑动安装在立柱102上，随动大梁401和402、403和404分别沿X方向安装在传动大梁301和302、303和304上，其中每个随动大梁401、402、403、404上安装对应的一排磁体阵列501、502、503、504，且磁体阵列501和502、503和504之间形成沿Y方向的磁间隙。

图1C示出了本实用新型紧凑型波荡器的第三个实施例，与第一、二个实施例不同的是，其中一组传动机构的传动大梁301和302沿X方向滑动方向安装在基础大梁101上，另一组传动机构的传动大梁303和304沿X方向滑动安装在底座104上。随动大梁401和402、403和404分别沿Y方向安装在传动大梁301和302、303和304上，其中每个随动大梁401、402、403、404上安装对应的一排磁体阵列501、502、503、504，且磁体阵列501和502、503和504之间形成沿X方向的磁间隙。

在本实用新型中，支持双电子束、双光束的紧凑型波荡器需同时满足两组磁结构在相同磁周期相同磁间隙、相同磁周期不同磁间隙、不同磁周期相同磁间隙以及不同磁周期不同磁间隙四种情况。当已准直安装好相同磁周期或不同磁周期的磁体阵列501、502和503、504时，可通过伺服电机201、202驱动随动大梁301和302、303和304实现以束流中心为基准的对称分合运动，即可改变两组磁结构的磁间隙。在自由电子激光运行的过程中，相对论性的双电子束经过不同或相同磁间隙的磁结构时，可产生不同辐射短波长的高增益自由电子激光。

在本实用新型中，前述每排磁体阵列分别包括周期性间隔排列的永磁体和铁磁体，图2示出了各排磁体阵列的一个磁周期的示意图，如图所示，磁体阵列501、502、503、504的每个磁周期长度内包括一永磁体601、602、603、604和一铁磁体701、702、703、704。

图3和图4分别为图1A中两组磁结构周期不同磁间隙相同和周期不同磁间隙不同两种情况下波荡器横向磁场在轴上的空间分布。本实用新型的波荡器支持双电子束线、双光束线运行的前提是双束线间磁场相互独立，互不干扰，为保证两组磁结构独立运行且磁场互不干涉，以两组磁结构的磁体阵列间磁场强度低于地磁场强度为判断标准，即认为在种情况下能够满足物理设计要求。由于自由电子激光装置或同步辐射装置中束团长度都非常短，直至接近fs量级，因此在本实用新型中，几百高斯甚至几十高斯的磁感应强度都会对电子束与激光间的相互作用产生影响，从而影响最后输出的短波长自由电子激光出光或同步辐射出光。如图3和4所示，在两组磁结构间隔为500mm的情况下，两组磁结构间的磁感应强度达到甚至低于地磁场强度(约为0.5-0.6高斯)，即本实用新型波荡器技术设计满足要求。

具体地，评估波荡器有两个方面：一是表征两组磁结构的横向磁场在轴向的分布，二是每个磁体阵列都能独立产生近似正弦波的磁场。为进一步验证图3和图4得到的结论，兹以两组磁结构周期不同磁间隙相同和周期不同磁间隙不同两种情况做进一步论证。图5和图6分别对应两组磁结构周期不同磁间隙相同时短周期(如周期长度为25mm)磁结构和长周期磁结构(如周期长度为50mm)的纵向方向磁场沿轴向的周期性分布。图7和图8则分别对应两组磁结构周期不同磁间隙不同时短周期磁结构和长周期磁结构的纵向方向磁场沿中心轴上的周期性分布。兹以一优选实施例作进一步解释：短周期和长周期磁结构分别模拟有6个周期和12个周期。结合图5至图8可以发现，在两组磁结构周期不同磁间隙相同和两组磁结构周期不同磁间隙不同两种情况下，两组磁结构的轴向磁场均呈良好的周期性空间分布。峰值磁场间微小的差异可以用霍尔探头校准并做进一步磁铁优化，具体地，在波荡器安装于隧道之前，用高精度霍尔探头对最短间距安装的两组结构在不同纵向位置下做中心轴线上磁场的扫描测量，从而可以得到所有位置下磁场峰峰值误差和积分误差。通过在磁体阵列与随动大梁间加减垫片和利用螺母调整磁极高度，可使磁场半周期积分的分散性达到最小，从而优化两列波荡器相位误差和电子轨迹直线度，具体优化过程：各磁极高度变化所引起的相位变化或轨道偏转值有个大概或准确的数值，对所采集的数据通过Matlab进行处理寻找各个磁极的垫补量，每垫补一次再进行测量，测量后再计算垫补值再垫补再测量如此往复循环，直到垫好为止。

还可以利用现有的三维磁场计算方法对波荡器磁体做优化设计，以期在最小永磁体体积下获得最大的有效峰值磁场。图9为两组磁结构在周期不同磁间隙不同的情况下，固定一组磁结构的磁间隙(如9mm)，而改变另一组磁结构的磁间隙，计算所得峰值磁场分布图，该磁场分布是磁间隙的函数。然后使两个不同周期磁结构的磁间隙均从10mm开始调节至40mm，调节步长为2mm。结合图9，长周期磁结构的轴上峰值磁场在相同磁间隙下比短周期磁结构的峰值磁场大，同时峰值磁场都会随着磁间隙的增加而减小且表现为非线性关系。

图10显示所计算的波荡器参数K的分布图，该K值同样是磁间隙的函数。图9所显示的场分布可用来计算波荡器参数K。磁场分布可做正弦函数近似，所包含的幅值B₀，周期λ_u可用来计算K值，计算公式如下：

K＝0.934×B₀[T]×λ_u[cm]

图11显示本实施例中长、短周期波荡器辐射出的自由电子激光波长分布图，辐射波长同样是磁间隙的函数。具体地，兹以一优选实施例作详细说明，以上海软X射线自由电子激光用户装置为例，电子能量经过加速段加速后可达到1.5GeV，不同磁间隙下，经过本实用新型紧凑型波荡器的双光束线，可产生不同辐射波长的自由电子激光，同时满足不同用户的需求。根据图10的参数K分布图，计算辐射波长公式如下：

本实用新型波荡器的横向宽度约为2m，比传统情况下支持双光束线的两个波荡器的总横向宽度减少1m多，大大减小了占地空间。

以上仅是本实用新型的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。