电光采样(EOS)法测量超短电子束束团长度中的模拟计算与误差分析

随着高能物理的发?高能量正负电子对撞机,射线自由电子激光器,先进的同步光源等,都需要产生高流强超短脉冲的相对论电子束团.于是,亚皮秒电子束束团诊断成为加速器物理新发展的关键技术,电子束长度的监测是其中的一部分.电光采样(EOS)法测量超短电子束团长度有非侵入、非破坏、实时测量的特点,具有较好的应用前景.本文介绍该方法的原理,通过模拟计算分析电子束束团与探测光间距、电子束电场与电光晶体晶轴夹角、探测光偏振方向与电光晶体晶轴夹角等实验参数与束团长度测量的关系,做系统误差分析,对实际实验有指导意义.     

用电光采样法测量相对论电子束团长度

介绍了电光采样法测量电子束束团长度的实验原理和装置,理论分析并模拟计算了被测电子束团库仑场分布、ZnTe晶体的电光效应与束团电场的关系,并利用琼斯矩阵法分析了探测光通过电光晶体时在束团电场作用下的偏振变化、测量信号与束团长度的关系等。分析表明:测量中应使束团库仑场垂直于ZnTe的［001］方向,探测光偏振方向与ZnTe晶体y″轴成45°或者135°夹角,1/4波片快轴与探测光偏振方向夹角应取45°,这时平衡探测器输出信号与束团库仑场Eb成正比。1/4波片的作用是将电光晶体的工作点从非线性段移到线性段,平衡探测的作用是简化信号与Eb的关系,并提高信噪比。为实际测量应用提供参考。     

用电光采样法测量相对论电子束团长度

 介绍了电光采样法测量电子束束团长度的实验原理和装置,理论分析并模拟计算了被测电子束团库仑场分布、ZnTe晶体的电光效应与束团电场的关系,并利用琼斯矩阵法分析了探测光通过电光晶体时在束团电场作用下的偏振变化、测量信号与束团长度的关系等。分析表明：测量中应使束团库仑场垂直于ZnTe的［001］方向,探测光偏振方向与ZnTe晶体y″轴成45°或者135°夹角,1/4波片快轴与探测光偏振方向夹角应取45°,这时平衡探测器输出信号与束团库仑场Eb成正比。1/4波片的作用是将电光晶体的工作点从非线性段移到线性段,平衡探测的作用是简化信号与Eb的关系,并提高信噪比。为实际测量应用提供参考。     

用于频域方法测量超短电子束纵向分布的Kramers-Krönig变换研究

Kramers-Krönig(K-K)变换方法被广泛地应用于频域测量中还原超短电子束团分布,成为分析电子束团形状、长度等参量的有效工具. 研究发现,利用该方法分析电子束参量时,自相干曲线基底的选择、低频损耗与高频截止及插值外推位置的选择,对束团参量有重要的影响. 以清华大学加速器实验平台采用相干渡越辐射测试束团长度为例,分析了上述参量的选取对测量结果的影响,讨论了选择K-K变换的关键物理参量的方法. 关键词： Kramers-Krönig变换 频域测量 超短电子束团 相干渡越辐射     

用于频域方法测量超短电子束纵向分布的Kramers-Kronig变换研究

Kramers-Kronig（K-K）变换方法被广泛地应用于频域测量中还原超短电子束团分布,成为分析电子束团形状、长度等参量的有效工具.研究发现,利用该方法分析电子束参量时,自相干曲线基底的选择、低频损耗与高频截止及插值外推位置的选择,对束团参量有重要的影响.以清华大学加速器实验平台采用相干渡越辐射测试束团长度为例,分析了上述参量的选取对测量结果的影响,讨论了选择K-K变换的关键物理参量的方法.     

相干衍射辐射在超短电子束团长度测量中的应用

利用相干衍射辐射(CDR)光学自相关技术在线无阻拦频域测量超短电子束团的长度是当前国际束测领域的研究热点. 文中分析和数值计算了利用上海应用物理研究所(SINAP)飞秒电子束装置提供的超短电子束团产生的宽带连续强CDR，介绍了超短电子束团长度测量的实验原理和装置示意，并研究了分束器对束团长度测量的影响. 结果表明，该束团可直接用于产生覆盖远红外至毫米波段的宽带连续强CDR；辐射能量主要集中在轴线附近，宏脉冲辐射能量可达毫焦耳量级；利用光学自相关技术研制的远红外Michelson干涉仪和Golay探测仪组成束团长度测量系统，通过实验测量CDR干涉图FWHM可近似求得超短束团长度；干涉图籍助傅立叶变换光谱法，可推算求得束团电子密度分布的信息.     

利用石英晶体的线性电光和电致旋光强度调制

提出并实验研究了利用石英晶体自身特性产生光学偏置的线性电光调制器。利用某些电光晶体的自然旋光性和自然双折射,并合理设计晶体尺寸及其晶轴与光传播方向之间的夹角,可以提供所需要的光学偏置以实现大动态范围的线性电光调制。对于兼有电光和电致旋光效应的晶体,例如石英晶体,应考虑综合利用这两种效应对电光调制的贡献。实验研究了一块石英晶体的电光强度调制特性,在27V～4.5kV工频调制电压范围内,调制输出信号与调制电压之间的线性相关系数大于0.9999。     

利用相干渡越辐射测量电子束团长度的分析与计算

利用相干渡越辐射(CTR)测量短和超短电子束团长度是国际上束测领域新发展的频域测量技术.文中理论分析和数值计算了北京自由电子激光装置的皮秒级的射频电子束团序列产生的CTR,当辐射波长在长于束长(4ps)时,渡越辐射发生相干增强效应;与非相干渡越辐射相比,当λ≥2πσz时,增强的倍数约等于束团中粒子的数目(10⁸);CTR从亚毫米波到毫米波段呈宽带连续谱特性;渡越辐射能量主要集中在轴线附近,宏脉冲辐射能量高达几毫焦.设计采用偏振型束团长度测量系统,利用CTR自相关技术,实验测量该束团序列的纵向长度,并藉助傅里叶变换光谱法,推求束团电子分布.     

用单发电子束探测激光等离子体内电磁场演化实验研究

惯性约束核聚变研究最近取得可喜成果,美国国家点火装置NIF装置实验上聚变增益达到了输入激光能量的三分之二.但是,这一成果与人们的预期还有较大差距,需要更深入研究激光与等离子体相互作用初期的动力学过程.我们发展了一种新方法,用单发长脉冲电子束团为探针,测量激光等离子体内电磁场在整个等离子体持续时间内的演化过程.实验中,高压静电电子源产生能量0—100 keV连续可调、脉宽10ns的电子束团.1 J,532 nm,脉宽约4 ns的激光脉冲聚焦到银靶上,激发产生等离子体.电子束团穿过激光等离子体,被其中的电磁场调制后成像,单发电子束团时间宽度会覆盖整个等离子体持续时间,通过分析电子束团的调制强度,推得等离子体内电磁场的变化.实验上成功实现了单发电子束团对整个激光等离子体内电场的诊断测量,获得了演化曲线,推算出实验条件下电子束通过路径上平均电场的最大值约为7.74×10~5 V/m.     

双折射双频激光器偏振特性的分析

用激光原理和晶体光学原理分析了腔内加旋光晶体的激光器输出光的偏振特性，实验和分析表明，激光器输出两束不同频率的垂直线偏振光，激光器两端输出光的偏振面有一夹角ａ，且此夹角与晶轴和传光方向的夹角θ有关。理论计算结果在双折射双频激光器的实验结果符合很好。     

皮秒量级电子脉冲宽度测量系统

提出了一种测量皮秒量级电子脉冲宽度的新方法; 并且在二次发射微波电子枪前期研究结果的基础上利用MAFIA等数值模拟程序建立起该测量方法的数值模型进行数值分析, 讨论了其可行性; 并根据本实验室现有条件给出了测量方法的最小分辨, 说明了测量方法的可行性.     

石墨量热计测量相对论电子能谱的数值模拟

采用数值实验的方法对石墨量热计测量电子能谱的过程进行了模拟,并对解谱方法进行了研究。使用MCNP软件建立了实验模型,根据不同能量入射电子能量沉积分布情况确立了入射电子能量-沉积能量的传递函数,研究确定合适的函数求解方法,并采用添加人为扰动的方式对该函数求解方法的可靠性进行分析,最终得到了有效的解谱方法。     

Generation and measurement of sub-picosecond electron bunch in photocathode rf gun

We consider a scheme to generate a sub-picosecond electron bunch in the photocathode rf gun by im-proving the acceleration gradient in the gun, suitably tuning the bunch charge, the laser spot size and the acceleration phase, and reducing the growth of transverse emittance by laser shaping. A nondestructive technique is also reported to measure the electron bunch length, by measuring the high-frequency spectrum of wakefield radiation which is caused by the passage of a relativistic electron bunch through a channel surrounded by a dielectric.     

RF deflecting cavity design for bunch length measurement of photoinjector at Tsinghua University

RF deflecting cavity can be used for bunch length measurement and is designed to diagnose the beam produced by the photocathode electron gun which was built at Tsinghua University for the Thomson scattering experiment. Detailed discussion and calculation for measuring the 3.5 MeV bunch and another with further acceleration to 50 MeV, which is under development, are presented. A standing-wave deflecting cavity working at 2856 MHz is designed and the power feeding system has been planned.     

RF deflecting cavity design for bunch length measurement of photoinjector at Tsinghua University

RF deflecting cavity can be used for bunch length measurement and is designed to diagnose the beam produced by the photocathode electron gun which was built at Tsinghua University for the Thomson scattering experiment.Detailed discussion and calculation for measuring the 3.5 MeV bunch and another with further acceleration to 50 MeV,which is under development,are presented.A standing-wave deflecting cavity working at 2856 MHz is designed and the power feeding system has been planned.     

扇形多注强流相对论电子束的产生与传输研究

多注相对论速调管相对于常规相对论速调管, 每注电子束具有更低的导流系数和更低的空间电荷力, 却具有更高的束波转换效率. 本文基于这方面的需求, 通过三维软件模拟与实验研究了扇形多注强流相对论电子束的产生与传输. 通过建立电子枪的三维模型, 分析了阴极端面静电场的分布及其对电子束产生的影响; 通过粒子模拟获得了发射束流, 然后通过粒子跟踪仿真, 得到了电子束在空心漂移管和多扇形孔漂移管中传输的束斑图, 并对其进行了理论分析与解释. 模拟和实验结果表明, 电子束在空心漂移管传输过程中不仅绕束自身中心旋转, 还绕系统的中心旋转, 通过旋转多扇形孔漂移管实现对中的方法可提高传输效率.     

RF deflecting cavity for bunch length measurement in Tsinghua Thomson scattering X-ray source

An RF deflecting cavity used for bunch length measurement has been designed and fabricated at Tsinghua University for the Thomson Scattering X-Ray Source.The cavity is a 2856 MHz,π-mode,3-cell standing-wave cavity,to diagnose the 3.5 MeV beam produced by photocathode electron gun.With a larger power source,the same cavity will again be used to measure the accelerated beam with energy of 50 MeV before colliding with the laser pulse.The RF design using MAFIA for both the cavity shape and the power coupler is reviewed,followed by presenting the fabrication procedure and bench measurement results of two cavities.     

A New Scheme for High‐Intensity Laser‐Driven Electron Acceleration in a Plasma

We propose a new approach to high‐intensity relativistic laser‐driven electron acceleration in a plasma. Here, we demonstrate that a plasma wave generated by a stimulated forward‐scattering of an incident laser pulse can be in the longest acceleration phase with injected relativistic beam electrons. This is why the plasma wave has the maximum amplification coefficient which is determined by the acceleration time and the breakdown (overturn) electric field in which the acceleration of the injected beam electrons occurs. We must note that for the longest acceleration phase the relativity of the injected beam electrons plays a crucial role in our scheme. We estimate qualitatively the acceleration parameters of relativistic electrons in the field of a plasma wave generated at the stimulated forward‐scattering of a high‐intensity laser pulse in a plasma. (© 2015 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

强流相对论电子束双腔纵向自调制研究

当强流相对论电子束在类双腔速调管系统中传输时，会发生自调制现象. 利用这一现象可以 在无微波注入的情况下得到较好的微波输出，这是一种由强流相对论效应引起的自激振荡. 利用这一原理有可能研制出一类新型的微波器件. 对强流相对论电子束在这种物理机制作用 下发生起振的条件及传输机理进行了理论分析，并进行了数值模拟. 优化结果显示，利用4k A, 500kV的强流相对论电子束，可得到099GHz，800MW的微波输出，效率约40％. 关键词： 强流相对论电子束 自调制 反馈机制 数值模拟