通过硬件升级与多目标优化减轻紧凑型高工作循环喷射器中的瞬态束载荷

《Scientific Reports》：Mitigation of transient beam loading in a compact high duty cycle injector via hardware upgrade and multi-objective optimization

　　

摘要

诸如独立可调单元（ITC）注入器这类紧凑型正常导光光注入器，对于高功率太赫兹自由电子激光器来说至关重要。然而，在高占空比运行条件下，瞬态束流负载效应会显著降低宏脉冲内电子束的能量和相位均匀性，从而影响FEL的辐射性能。在此，我们提出一种策略，用以减轻这些瞬态效应，提升HUST THz-FEL装置中ITC注入器的宏脉冲束流质量。所提出的硬件改进方案将驻波腔和行波直线加速器的射频电源分开，以实现独立的定时控制，同时还为驻波腔引入了可调节的耦合系数。此外，还采用了非支配排序遗传算法III（NSGA-III）对四个关键参数进行多目标优化：束流注入时间、射频相位、耦合系数以及结构间的射频延迟。仿真结果表明，单变量优化无法同时实现能量和相位的稳定。而全局多目标优化则显示，增加耦合系数可以有效缩短腔体填充时间，同时独立的射频定时功能可使加速场与束流瞬态过程同步。经过优化的配置能够实现约14 MeV的稳定宏脉冲能量，且能量分布和相位变化都降至最低。由此可见，独立的射频供电、可调节的耦合系数以及全局优化相结合的方式，可以有效弥补瞬态束流负载效应的影响。这一方法在仿真中显著提升了ITC注入器的宏脉冲均匀性，为其他类似紧凑型注入器的发展提供了可行路径。