Projeto de otimização de forma do espelho offset em FEL

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 9653 (2023) Citar este artigo

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Hoje em dia, devido às vantagens de alta potência de pico, alta potência média, pulso ultracurto e características totalmente coerentes, o laser de elétrons livres (FEL) de alta taxa de repetição está prosperando em muitos países ao redor do mundo. A carga térmica causada pelo FEL de alta taxa de repetição representa um grande desafio para o formato da superfície do espelho. Especialmente no caso de alta potência média, como controlar perfeitamente a forma do espelho para manter a coerência do feixe tornou-se um problema difícil no projeto da linha de luz. Além do PZT multissegmento, quando vários aquecedores resistivos são usados ​​para compensar o formato do espelho, o fluxo de calor (ou energia) gerado por cada aquecedor deve ser otimizado para obter erros de altura subnanométricos. Este artigo estabelece o modelo MHCKF para a deformação da superfície do espelho sob o efeito combinado da deformação inicial do espelho, da deformação térmica causada pelos raios X e da deformação compensada por múltiplos aquecedores. Ao pesquisar o termo de perturbação no modelo matemático, pode-se obter a solução dos mínimos quadrados dos fluxos de calor gerados por todos os aquecedores. Este método pode não apenas definir múltiplas restrições nos fluxos de calor, mas também obter rapidamente seus valores ao minimizar o erro de formato do espelho. Ele supera o problema dos processos de otimização demorados encontrados pelos softwares tradicionais de análise de elementos finitos, especialmente no contexto da otimização multiparâmetros. Este artigo enfoca o espelho deslocado na linha de luz FEL-1 em S3FEL. Usando este método, a otimização de 25 fluxos de calor gerados por todos os aquecedores resistivos foi realizada em poucos segundos utilizando um laptop comum. Os resultados indicam que o erro de altura RMS diminuiu de 40 nm para 0,009 nm, e o erro de inclinação RMS reduziu de 192,7nrad para 0,4nrad. Simulações de óptica de onda mostram que a qualidade da frente de onda foi significativamente melhorada. Além disso, foram analisados ​​alguns fatores que afetam o erro de formato do espelho, como o número de aquecedores, maior taxa de repetição, coeficiente de filme e comprimento do tubo de cobre. Os resultados mostram que o modelo MHCKF e o algoritmo de otimização podem resolver efetivamente o problema de otimização de compensação do formato do espelho com múltiplos aquecedores.

Nos últimos anos, com o rápido desenvolvimento da tecnologia supercondutora, é possível desenvolver instalações para usuários de laser de elétrons livres (FEL) de raios X de alta taxa de repetição. Existem várias instalações em projeto ou construção em todo o mundo, como o laser europeu de elétrons livres de raios X (XFEL)1, FLASH2, a Linac Coherent Light Source II (LCLS-II)3 e o Shanghai High-repetition Hard X. Laser de elétrons livres de raios (SHINE)4. Na China, além do SHINE, o Laser Supercondutor de Elétrons Livres de Raios-X Suaves de Shenzhen (S3FEL) é uma nova fonte de luz em fase de proposta no Instituto de Instalações Científicas Avançadas (IASF), em Shenzhen. O S3FEL consiste em um acelerador linear supercondutor CW de 2,5 GeV e quatro linhas onduladoras iniciais, visando gerar raios X entre 40 eV e 1,24 keV em taxas de até 1 MHz5. A primeira fase do S3FEL inclui quatro linhas de luz, entre as quais o FEL-1 operará no modo SASE com taxa de repetição de até 100 kHz. O layout óptico do FEL-1 é mostrado na Fig.

Layout óptico da linha de luz FEL-1 em S3FEL.

A linha de luz FEL-1 visa construir três estações finais experimentais, incluindo a estação de imagem de difração coerente resolvida no tempo (tr-CDI), estação de fotoelétrons de raios X de pressão ambiente de superfície (AP-XPS) e estação de espalhamento de raios X suave ressonante (incluindo RIXS e REXS), respectivamente. Conforme mostrado na Figura 1, muitos espelhos são usados ​​para atender aos requisitos das estações finais experimentais. O primeiro espelho na linha de luz, o espelho deslocado (M1), é fundamental para manter a estabilidade dos fótons e do comprimento de onda. De acordo com os Critérios Maréchal6, para uma transmissão coerente, o erro de altura RMS do espelho offset deve ser inferior a 0,9 nm e o erro de inclinação RMS deve ser inferior a 100nrad, que são mais rigorosos que os dos espelhos em instalações de radiação síncrotron. Portanto, é necessário escolher um esquema de controle de forma apropriado.