Please use this identifier to cite or link to this item: http://cmuir.cmu.ac.th/jspui/handle/6653943832/74162
Full metadata record
DC FieldValueLanguage
dc.contributor.advisorSakhorn Rimjaem-
dc.contributor.advisorChitrlada Thongbai-
dc.contributor.authorSupasin Sukaraen_US
dc.date.accessioned2022-09-29T11:19:21Z-
dc.date.available2022-09-29T11:19:21Z-
dc.date.issued2021-07-
dc.identifier.urihttp://cmuir.cmu.ac.th/jspui/handle/6653943832/74162-
dc.description.abstractAt the PBP-CMU Electron Linac Laboratory (PCELL) of the Plasma and Beam Physics Research Facility (PBP), Chiang Mai University (CMU), the upgrade of the elec- tron accelerator system to produce mid-infrared free-electron laser (MIR-FEL) and super- radiant terahertz free electron laser (THz-FEL) is in progress. In this thesis, the MIR-FEL oscillator system is designed and the generation of the FEL is studied using computer sim- ulations. In the design of an optical cavity, the laser waist position is set at the middle of the permanent magnet undulator, which has a total length of 1.6 m. There are two concave mirrors placed upstream and downstream the waist at the positions of 2.956 and 2.450 m, respectively. This configuration yields the cavity length of 5.406 m, which con- tains 102 FEL pulses with an RF repetition rate of 2,856 MHz. Then, the setup is used in FEL simulation with the GENESIS 1.3 code, which is modifed for this research. The electron beam with kinetic energy of 25 MeV and the measured 1.6-m undulator magnetic field distribution with the average maximum K-value of 1.07 are used in FEL simulation. Thus, the MIR-FEL with the central wavelength of 13.01 pim is investigated. The opti- mum upstream and downstream mirror curvatures of 3.091 and 2.613 m are respectively obtained, which provide the Rayleigh length of 0.631 m for the 13.01-pim FEL wavelength. These designed values are represented by the g-parameter of 0.80 that has the 10-% mirror misalignment tolerance of the transverse offset with the tilt of 士0.25 mm and +0.15 mrad, respectively. The FEL simulation result shows that the optical cavity length should be extended with the slippage length that is 20 times of the FEL wavelength to reduce the slippage effect. Then, the optical cavity length detuning by reducing the cavity length of an FEL wavelength is mandatory for the appropriate FEL lasing. This suggests that the longitudinal moving step length of both two mirrors would be within a few microns. To generate the MIR-FEL, the electron beam requires rms transverse size of smaller than 1.0 mm at the undulator entrance with focusing point at the 50 - 75 % of the undulator length from the entrance. The FWHM bunch duration of not larger than 1 ps and the peak cur- rent of higer than 50 A are required for generation of the MIR-FEL with the intra-cavity peak power from sub-Watt to sub-GW scale at the FEL saturation point. 'Two sets of electron beam properties are considered to estimate the MIR-FEL properties. The first considered beam has the kinetic energy of 25 MeV and the bunch charge of 60 pC with the peak current of 123 A and the transverse beam sizes of 0.2 - 0.5 mm at the undulator entrance. The second one has the kinetic energy of 22 MeV and the bunch charge of 60 PC with the peak current of 53 A and the transverse beam sizes of 0.8 - 1.0 mm at the undulator entrance. As a result, the MIR-FEL with the wavelength range of 9.5 - 12.9 pm is obtained from the 25-MeV electron beam using the undulator K-value of 0.53 - 1.07. The 22-MeV electron beam provides the FEL wavelength range of 13.5 - 16.6 ps with the undulator K-value of 0.75 - 1.07. The results obtained from both two electron beams are used for optimizing the upstream mirror hole radius for the radiation coupling out from the oscillator system. The study gives the optimum hole radius of 1.3 mm, which yields the FEL power coupling ratio of 0.13 - 0.15 %. As a result, the optimized optical cavity design with optimum parameters of these two electron beams provides the FEL power of up to sub-GW scale with the FEL saturation within 5 ps, which is within the expected maximum electron macro-pulse duration of 6 ps. At the saturation time, the extracted FEL pulse energies at the mirror hole are 0.3 - 0.4 p.J for 25-MeV beam and 0.15 - 0.2 p.J for 22-MeV beam.en_US
dc.language.isoenen_US
dc.publisherChiang Mai : Graduate School, Chiang Mai Universityen_US
dc.titleDesign of the Mid-infrared Oscillator Free Electron Laser at Chiang Mai Universityen_US
dc.title.alternativeการออกแบบเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบออสซิลเลเตอร์ ย่านอินฟราเรดขั้นกลาง ณ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่en_US
dc.typeThesis
thailis.controlvocab.lcshPhysics-
thailis.controlvocab.lcshInfrared radiation-
thailis.controlvocab.lcshElectron accelerators-
thesis.degreemasteren_US
thesis.description.thaiAbstractณ ห้องปฏิบัติการวิจัยเครื่องเร่งอิเล็กตรอนเชิงเส้น (PCELL) ของศูนย์วิจัยฟิสิกส์ของพลาสมา และลำอนุภาค มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ได้ทำการปรับปรุงระบบเครื่องเร่งอิเล็กตรอนเชิงเพื่อผลิตเลเซอร์ อิเล็กตรอนอิสระในย่านอินฟราเรดขั้นกลาง (MIR-FEL) และนเทระเฮิร์ต (THz-FEL) ในวิทยานิพนธ์เล่มนี้ได้เสนอการออกแบบระบบ MIR-FEL แบบออสซิลเลเตอร์และศึกษาการผลิตเลเซอร์อิสระ (FEL ) โดยใช้โปรแกรมจำลองทางคอมพิวเตอร์ ในการออกแบบโพรงสั่นพ้องได้กำหนดตำแหน่ง คอดของเลเซอร์ ที่ตรงกลางของแม่เหล็กอันดูเลเตอร์แบบแม่เหล็กถาวร ซึ่งมีความยาวเท่ากับ 1.6 เมตร โดยมีกระจกเว้าสองบานวางอยู่ที่ตำแหน่งต้นทางและปลายทางของโพรงสั่นพ้องที่ระยะห่าง จากตำแหน่งคอดของเลเซอร์เท่ากับ 2.956 และ 2.450 เมตร ตามลำดับ ทำให้ได้ความยาวของโพรงสั่น พ้องเท่ากับ 5.406 มตร โดขมีจำนวนพัลส์ของ FEL 102 พัลส์ที่ความถี่ 2.856 MH2 จากนั้น ได้ทำการจำลอง FEL โคขใช้โปรแกรม GENESIS 1.3 ที่ดัดแปลงมาใช้เฉพาะงานวิจัยนี้ โดยใช้ลำอิเล็กตรอนที่มีพลังงานจลน์ 25 ล้านอิเล็กตรอน โวลต์ (MeV) และ ใช้การกระจายตัวของสนามแม่เหล็กอันดูเลเตอร์ ที่ได้จากการวัดซึ่งมีค่าความแรงอันดูเลเตอร์ (K) เฉลี่ยสูงสุดเท่ากับ 1.07 ทำให้ MIR-FEL ที่มี ความยาวคลื่นเท่ากับ 13.0 1 ไมโครเมตรและได้ค่ารัศมีความโค้งที่เหมาะสมของกระจกที่ตำแหน่ง ต้นทางและตำแหน่งปลายทางของโพรงสั่นพ้องเท่ากับ 3.091 และ 2.613 เมตรตามลำดับ โดยได้ความ ยาวเรย์ลีเท่ากับ 0.631 เมตรสำหรับ FELที่มีความยาวคลื่น 13.0 ไมโครเมตร โดยมีค่าพารามิเตอร์จี เท่ากับ 0.80 และมีความคลาดเคลื่อนในการปรับกระจกที่ยินยอม ได้ร้อยละ 10 สำหรับการเลื่อนออก และการเอียงในแนวหน้าตัดเท่ากับ 0.25 มิลลิเมตร และ 0.15 มิลลิเรเดียน ตามลำดับผลจากการ จำลอง FEL แสดงให้เห็นว่าต้องทำการขยายความยาวของโพรงสั่นพ้องด้วยระยะเท่ากับระยะเลื่อนซึ่ง มีค่าเท่ากับ 20 เท่าของความยาวคลื่นของ FEL เพื่อลดทอนผลของการเลื่อน จากนั้น ทำการปรับความ ยาวของโพรงสั่นพ้องออกจากจุดเดิม โดยลดความยาวของโพรงลงเท่ากับหนึ่งความยาวคลื่นของ FEL ซึ่งมีความสำคัญในการผลิตเลเซอร์แบบ FEL โดยระยะของการเคลื่อนตำแหน่งในทางยาวของกระจก ทั้งสองควรมีค่าต่ำในระดับไมโครเมตร ในการผลิต MIR-FEL นั้นต้องการลำอิเล็กตรอนที่มีขนาดหน้า ตัดเฉลี่ยกำลังสองที่เล็กกว่า 1 มิลลิเมตร ที่ตำแหน่งทางเข้าของแม่เหล็กอันดูเลเตอร์ และมีจุดโฟกัส ที่ระยะ 50 - 75 % ของความยาวแม่เหล็กอันดูเลเตอร์เมื่อวัดจากทางเข้าของแม่เหล็ก โดยต้องการลำ อิเล็กตรอนที่มีความยาวของห้วงไม่เกิน 1 พิโควินาที และมีกระแสสูงสุดมากกว่า 50 แอมแปร์สำหรับ การผลิต MIR-FEL ให้มีกำลังสูงสุดใน โพรงสั่นฟ้องที่จุดอิ่มตัวในระดับเมกะวัตต์ถึงกิกะวัตต์ ในการ ประเมินคุณสมบัติของ MIR-FEL ได้พิจารณาคุณสมบัติของลำอิเล็กตรอน 2 กรณี โดยลำอิเล็กตรอน กรณีแรกมีพลังงานจลน์ 25 Mev มีประจุต่อห้วง 60 พิโคคูลอมบ์ มีค่ากระแสสูงสุด 123 แอมแปร์และมี ขนาดหน้าตัดที่ทางเข้าอันดูเลเตอร์เท่ากับ 0.2 - 0.5 มิลลิเมตร สำอิเล็กตรอนกรณีที่สองมีพลังงานจลน์ 22 Mev ประจุต่อหัวง 60 พิโคคูลอมบ์ กระแสสูงสุด 53 แอมแปร์ และ ขนาดหน้าตัดเท่ากับ 0.8 . 1.0 มิลลิเมตร ผลที่ ได้จากการจำลอง FEL พบว่าได้ความขาวคลื่นของ MIR-FEL ในช่วง 9.5 - 12.9 ไมโครเมตรเมื่อใช้ลำอิเล็กตรอนพลังงาน 25 MeV และใช้ค่า K ของแม่เหล็กอันคูเลเตอร์ในช่วง 0.53 - 1.07 และ ได้ MIR-FEL ที่มีช่วงความยาวคลื่นเท่ากับ 13.5 - 16.6 ไมโครเมตร เมื่อใช้ลำอิเล็กตรอน พลังงาน 22 Mev และ ใช้ค่า K ของแม่เหล็กอันดูเลเตอร์ในช่วง 0.75 - 1.07 จากนั้นได้ใช้ผลจากการ จำลอง FEL ของลำอิเล็กตรอนทั้งสองกรณี ในการหาค่าที่เหมาะสมของรัศมีรูเปิดที่กระจกต้นทางของ โพรงสั่นพ้อง ซึ่งได้ค่ารัศมีที่เหมาะสมเท่ากับ 1.3 มิลลิเมตร ที่ทำให้มีอัตราส่วนกำลังของ FEL ที่ออก มาต่อกำลังที่อยู่ภายในโพรงสั่นพ้องเท่ากับ 0.13 - 0.15 % และ ได้ MIR-FEL ที่มีการเพิ่มกำลังสูงสุด ภายในโพรงสั่นพ้องได้ถึงระดับกิกะวัตต์และอิ่มตัวภายใน 5 ไมโครวินาที่ ซึ่งยังอยู่ภายช่วงเวลาของมา โครพัลส์ของลำอิเล็กตรอนตามที่คาดไว้ว่ามีค่าเท่ากับ 6 ไมโครวินาที่ ที่จุคอิ่มตัวของ MIR-FEL มีค่า พลังงานต่อพัลส์ของ FEL ที่ออกมา ณ ตำแหน่งรูเปิดของกระจกเท่ากับ 0.3 - 0.4 ไมโครลส์ สำหรับ ลำอิเล็กตรอนพลังงาน 25 MeV และ 0.15 - 0.2 ไมโครจูลส์ สำหรับลำอิเล็กตรอนพลังงาน 22 MeVen_US
Appears in Collections:SCIENCE: Theses

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
610531033 สุพศิน สุกระ.pdf5.64 MBAdobe PDFView/Open    Request a copy


Items in CMUIR are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.