上海光机所：精确诊断发射度，优化高品质电子束

点击上方 激光评论 关注我们

激光尾波场加速利用一束强激光入射至等离子体，其有质动力将排开背景等离子体中的电子，进而激发出大幅的尾波场用于加速粒子。由于等离子体中不存在击穿电压的限制，加速梯度可达百GeV/m，相比于传统加速器高出3~4个量级，其加速的高能粒子束有望应用于超紧凑辐射源和台式化自由电子激光等。

由于在空泡（激光排开电子产生的球形空腔）内部受到非均匀的纵向加速场和非线性的横向场，导致基于激光尾波场加速的电子束具有较大的能散和发射度。上海光机所已经在实验上验证了基于激光尾波场加速电子束自发辐射放大。然而想要实现台式化自由电子激光的应用，仍需对电子束品质提出更高的要求，而电子品质的优化依赖于精确的诊断方案。根据研究，一般用六维相空间亮度表征电子束的综合品质，其中ε_nx和ε_ny分别表示电子束水平和垂直发射度。品质优化依赖于精确的诊断方案，而尾波场的不稳定性导致电子束发次间存在抖动，因此实现电子束横向发射度高分辨率的单发测量，对电子束发射度进一步优化具有重要意义。

基于相位补偿的发射度诊断

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室在基于激光尾波场加速电子束发射度诊断方面取得重要进展。研究团队提出了一种电子束横向切片发射度单发诊断方案。相关成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2023年第3期的文章 (Kangnan Jiang, Ke Feng, Hao Wang, Xiaojun Yang, Peile Bai, Yi Xu, Yuxin Leng, Wentao Wang, Ruxin Li. Measurement of electron beam transverse slice emittance using a focused beamline[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2023, 11(3): 03000e36)。

为了进一步实现电子束发射度的优化，研究团队设计了一种适用于激光尾波场加速电子束的切片发射度单发诊断方案。电子在空泡中除了受到纵向加速场，也会受到横向聚焦力而产生横向振荡。此振荡频率与能量相关，这就使得不同能量的电子在振荡的过程中会产生横向相位差。利用能量和振荡频率的相关性，可以实现电子束相对于中心能量的相位补偿。当不同能量的电子在横向相空间上保持同一相位，束团会呈现出切片信息如图1所示。

图1 切片信息。(a)电子束低能部分横向相空间运动轨迹；(b)电子束高能部分横向相空间运动轨迹；(c)相位补偿前电子横向相空间分布；(d)相位补偿后电子横向相空间分布

实验中束线主要由三块四极磁铁和一块二极铁组成如图2所示，根据电子束能量、发散角调节四极磁铁间距、磁场梯度实现电子束水平和垂直两个方向聚焦。对给定的聚焦束线来说，焦点的位置是和电子能量相关的，聚焦后的电子经二极铁偏转在能谱上呈现能量和尺寸的相关性。基于相位补偿，结合横向尺寸与能量的耦合关系，可以计算出电子束横向切片发射度。该方案的测量精度可以达到10 nm量级，经过优化在实验上测得发射度为0.27 mm·mrad，如图3所示。

图2 实验装置图

图3 实验测量结果和补偿的相位差。(a) 聚焦电子束能谱的单发图像；(b) 和能量相对应的电子束横向尺寸（蓝线）和拟合曲线（红线）；(c)补偿的相位差

总结与展望

本文提出了一种基于相位补偿的切片发射度诊断方案，测得的发射度可以作为品质优化的依据，并且设计匹配的束线可以保证电子束长距离传输。未来课题组将继续发展精确的诊断方案，优化电子束参数，实现台式化自由电子激光更高品质辐射输出。

推荐阅读：

编辑 | 周琦雅

依托High Power Laser Science and Engineering期刊，我们建立了高功率社区（Community），每周定期更新领域内最新研究成果、会议、装置、人事等新闻。欢迎各位研究学者在线浏览。

高功率社区新闻速递：

1. 意大利国家光学研究所Leonida A. Gizzi博士领导的ILIL实验室加入Laserlab-Europe AISBL，ILIL将在欧洲尖端激光技术领域建立合作网络。

2. Laserlab-Europe AISBL选举CLF的领导John Collier为新任执行主任。

END

报道激光物理、技术及应用最新进展
邀请主编、作者、编辑以及您来评论如需转载   请直接留言
商务合作请联系季先生 18018304797（微信手机同号）

扫描

微信矩阵

了解更多精彩

中国激光杂志社

爱光学

光电汇