[發明專利]多功能飛秒電子束診斷儀

無效

• 申請號: 201110254576.7
• 申請日: 2011-08-31
• 公開（公告）號: CN102445705A
• 公開（公告）日: 2012-05-09
• 發明（設計）人: 李文濤;王文濤;鄧愛華;張輝;王成;劉建勝
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: G01T1/29
• 分類號: G01T1/29
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 張澤純

技術領域

本發明涉及飛秒電子束的診斷，特別是一種多功能飛秒電子束診斷儀，用于電子束長度、能譜和電量等指標的測量；它是利用相干衍射輻射導致的電子束偏轉效應，結合傳統電子能譜儀和多種定標方式，從而實現對飛秒電子束多指標同步測量，具有操作簡單、方便高效、測量精度高、應用范圍廣的優點。

背景技術

近年來，傳統電子加速領域的快速發展，如光陰極電子槍和電子束團長度壓縮系統的不斷改進，激光等離子體尾波場電子加速器的突破，電子束的長度都在向著飛秒量級進行邁進，飛秒量級的電子束將在科研領域，特別是自由電子激光器(FEL)等高尖端設備的研發方面發揮巨大的作用。于此同時，對電子束的診斷設備也提出了更高的要求。

傳統加速裝置上的電子束診斷儀，如條紋相機或者電光采樣設備等，其分辨率都在百飛秒量級，無法實現飛秒量級的電子束長度診斷，而最新提出來的相干輻射測量技術(參見Thongbai，C.and?H.Wiedemann，Review?and?analysis?of?autocorrelation?electron?bunch?length?measurements.Nuclear?Instruments&Methods?in?Physics?Research?Section?a-Accelerators?Spectrometers?Detectors?and?Associated?Equipment，2006.568(2)：p.923-932)，也存在諸多問題，如無法實現單槍次測量、信息失真較為嚴重，此外這種測量技術還是對電子束的破壞性測量，即電子束要打在金屬箔上，這就導致無法在測量電子束的能譜信息同時繼續使用測量后的電子束。

2005年，A.Potylitsyn首次探討了電子束在進行相干衍射輻射時存在的偏轉效應，并對其進行了初步的理論推導和計算(參見Potylitsyn，A.，et?al.，Coherent?radiation?recoil?effect?for?the?optical?diffraction?radiation?beam?size?monitor?at?SLAC?FFTB.Nuclear?Instruments&Methods?in?Physics?Research?Section?B-Beam?Interactions?with?Materials?and?Atoms，2005.227(1-2)：p.170-174)；2007年Dao?Xiang等在其進一步的理論計算的基礎上，提出了利用該偏轉效應對電子束長度進行測定的簡單方案(參見Xiang，D.and?W.-H.Huang，Ultrashort?electron?bunch?length?measurement?with?diffraction?radiation?deflector.Physical?Review?Special?Topics-Accelerators?and?Beams，2007.10(1)：p.012801)，但是，該方案中不存在針對電子束其它指標的測量單元，而且更重要的是，方案中使用了傳統電子加速器中的電子軌道測量系統(BPM)來對電子束的偏轉情況進行測量，這樣導致方案的成本和復雜性大為增加。

發明內容

本發明的目的是針對上述已有的電子束診斷設備在精度和操作性等方面的諸多限制，提出一種多功能飛秒電子束診斷儀，該儀器能對電子束的能譜、電量以及10fs甚至是飛秒量級的電子束長度進行準確測量，從而可以方便高效的實現對飛秒電子束的診斷，促進飛秒電子束源的使用和推廣。

本發明的技術解決原理如下：

本發明的飛秒電子束長度測量部分所依據的原理是相干衍射輻射伴隨的電子束偏轉效應，如圖1所示，當電子束4穿過與之成45°角放置的銅環1時，會分別在電子束的前進方向產生前向衍射輻射3和在垂直于前進方向上產生后向衍射輻射2，后向衍射輻射將在垂直方向上帶走電子動量，根據動量守恒原理，電子會在與后向衍射輻射相反的方向產生偏轉，形成偏轉電子束5，其偏轉角由后向衍射輻射的能量與電子束能量的比值所決定。

在非相干條件下，單個電子輻射的光子能量很低(10^-5eV量級)，但是在相干條件下，即電子束長度短于輻射波長時，每個電子輻射的光子能量要增加N倍(N為電子束的電量)，以1nC(納庫侖)的電量來說，每個電子輻射的能量將達到10⁵eV，即0.1MeV量級，這將對電子產生比較明顯的偏轉。由于相干衍射輻射的功率計算公式中包含有電子束包絡的信息，所以在已知電子束能譜和電量的條件下，可以通過偏轉角來反推電子束長度。