CN106550529A - 一种采用横向梯度波荡器的偏转腔结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种采用横向梯度波荡器的偏转腔结构，在传统偏转腔结构前端加置一台横向梯度波荡器，通过横向梯度波荡器引入的电子束相空间耦合作用，对三维电子束引入X-Z或者Y-Z方向上的耦合(取决于波荡器的摆放方向)，使电子束每个切片上均受到不同的踢力，从而消除了电子束横向尺寸对偏转腔精度的影响，提高偏转腔结构的精度，通过合理优化整台装置的参数，可以将分辨精度提升至亚非秒量级。本发明可以在不影响自由电子激光系统辐射出光的前提下，将偏转腔结构的精度提高一个量级，装置结构简单，对功率源和漂移空间长度等因素要求低。

Description

一种采用横向梯度波荡器的偏转腔结构

技术领域

本发明属于加速器物理领域，具体涉及一种采用横向梯度波荡器的偏转腔结构，可以消除电子束横向尺寸对偏转腔精度的影响，将传统偏转腔的分辨率提高一个量级。

背景技术

采用射频横向偏转腔的电子束时间分布测量是一种稳定、通用的电子束相空间诊断方法，广泛应用于当前的自由电子激光装置上(参见文献Behrens,C.et al.Few-femtosecond time-resolved measurements of X-ray free-electron lasers,Nat.Commun.5,3762(2014))。该方法通过不同波段功率源的sin电场对电子束引入沿纵向分布的不同踢力，使电子束在纵向上获得不同程度的偏移，从而获得电子束的时间信息，该信息对优化电子束品质，提升自由电子激光辐射性能具有非常重要的意义。偏转腔精度的提高主要受制于如下两个方面：1)功率源发展的限制；2)电子束自身参数的限制，如横向尺寸等。如果想进一步提升偏转腔的最高分辨率，则需要提供非常强的偏转电压以及很长的自由漂移空间。

目前，偏转腔结构所提供的最高分辨精度为美国斯坦福直线加速器中心的直线加速器相干光源，其采用了两段最高偏转强度为45MV/m的X波段偏转腔，测量精度在飞秒量级。

发明内容

为了进一步提升偏转腔的分辨精度，本发明提供一种新型的偏转腔结构，来提高偏转腔结构的精度，通过合理优化整台装置的参数，可以将分辨精度提升至亚非秒量级。

本发明为提高传统偏转腔精度所采用的技术方案是：一种采用横向梯度波荡器的偏转腔结构，在传统偏转腔装置前端加置一台横向梯度波荡器，通过横向梯度波荡器引入的电子束相空间耦合作用，对三维电子束引入X-Z或者Y-Z方向上的耦合(取决于波荡器的摆放方向)，使电子束每个切片上均受到不同的踢力，从而消除了电子束横向尺寸对偏转腔精度的影响。

本发明的原理在于：

在偏转腔装置前端加装一台横向梯度波荡器，根据束流动力学原理，横向梯度波荡器传输矩阵中的R51项会对电子束在X-Z方向上引入耦合，其具体过程如图3所示，横向梯度波荡器传输矩阵为公式(1)。随后偏转腔会对同一切片的电子束沿着时间坐标引入不同大小 的踢力，通过合理调节装置参数，电子束会被等效偏转90度，从而消除了电子束横向尺寸对传统偏转腔精度的限制，提高了装置分辨率。具体例证见图4，图5。

本发明的有益效果是，可以在不影响自由电子激光系统辐射出光的前提下，将偏转腔结构的精度提高一个量级，装置结构简单，对功率源和漂移空间长度等因素要求低。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图，虚线内部分为较传统装置的不同。

图2是本发明相对于传统装置的精度提升对比，相对于传统装置精度提升一个量级。图中圆点线为传统装置，方点线为本发明装置。

图3是采用横向梯度波荡器时，不同横向梯度波荡器磁场强度对电子束引入的X-Z耦合效果示意图(K表示磁场强度)。

图4是采用本发明的新型偏转腔结构模拟测得的电子束能量分布，相比传统布局，测量精度大幅提升。

图4(a)为大连相干光源的电子束纵向相空间分布；图4(b)为重构的关闭自由电子激光过程的电子束能谱分布；图4(c)为重构的打开自由电子激光过程的电子束能谱分布；图4(d)为通过分析图4(b)和图4(c)重构得到的电子束能量损失对比，即测量结果(图4(d)中三角点线为传统装置，方点线为改进后的装置)。

图5是采用本发明布局，模拟大连相干光源参数，重构得到的电子束bunching结果。图5(a)为重构的电子束密度分布；图5(b)中方点线为GENESIS模拟得到的电子束bunching分布，圆点线为重构的bunching，即测得的结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1中，将横向梯度波荡器置于偏转腔前端，随后接入偏转腔和分析磁铁，通过计算横向梯度波荡器磁场K、横向波荡器梯度α，偏转腔偏转电压等参数，得到优化的漂移段长度，从而得到分辨率最高的装置布局，此处横向梯度波荡器的参数设计值取决于电子束的参数， 以大连相干光源300MeV电子束为例，横向梯度波荡器磁场需要约K＝20，横向梯度α值约为30m^-1。

图2中，显示了两种结构的理论精度对比，以大连相干光源为例，电子束横向尺寸为100微米，此时优化条件下，相比传统结构，本发明可以将装置精度提升一个量级。

图3中，显示了横向梯度为30m^-1时，不同横向梯度波荡器磁场强度对电子束引入的X-Z耦合效果对比，从图中可以看到，磁场强度K越大，偏转效果越明显，即同一切片的电子越容易被等效旋转90度。

图4中，展示了改进前后两种装置模拟得到的分辨效果提升，所采用的模拟软件为国际通用的束流模拟软件ELEGANT和自由电子激光模拟软件GENESIS 1.3，模拟过程首先通过ELEGANT模拟电子束在直线加速器中的演化，随后用GENESIS来模拟电子束在波荡器中的发光过程，最后再次利用ELEGANT追踪电子束在两种偏转腔结构中的轨道并进行对比。图4(a)为大连相干光源的电子束纵向相空间分布；图4(b)为重构的关闭自由电子激光过程的电子束能谱分布；图4(c)为重构的打开自由电子激光过程的电子束能谱分布；图4(d)为通过分析图4(b)和图4(c)得到的电子束能量损失对比，即测量结果。通过图4(d)的对比结果可以发现，新型装置非常有效的提高了偏转腔的精度。

图5中，以大连相干光源参数为例进行比较。图5(a)中使用的电子束密度调制波长为300纳米，即1飞秒，采用本发明的新型装置，重构得到的电子束密度调制后的分布。图5(b)通过对图5(a)中的密度调制结果进行傅里叶分析，得到电子束的bunching，结果表明该新型装置的分辨率可以准确重构300nm波长的bunching，并且可分辨至300纳米的三次谐波，即分辨率可以提升至亚非秒量级。

Claims (2)

1.一种采用横向梯度波荡器的偏转腔结构，其特征在于：该偏转腔结构在传统偏转腔装置前端加置一台横向梯度波荡器，通过横向梯度波荡器引入的电子束相空间耦合作用，对三维电子束引入X-Z或者Y-Z方向上的耦合(取决于波荡器的摆放方向)，使电子束每个切片上均受到不同的踢力，从而消除了电子束横向尺寸对偏转腔精度的影响。

2.一种采用横向梯度波荡器的偏转腔结构，其特征在于：在传统偏转腔装置前端加装一台横向梯度波荡器，根据束流动力学原理，横向梯度波荡器传输矩阵中的R51项会对电子束在X-Z方向上引入相空间耦合，横向梯度波荡器传输矩阵为公式(1)，公式中L_u为加置的横向梯度波荡器总长度，τ＝L_uK²α/2γ²为归一化的横向梯度波荡器梯度参数，其中K为横向梯度波荡器磁场强度，α为横向梯度波荡器的梯度，γ为电子束的中心能量，

$R_{TGU}=\left|\begin{array}{cccccc}1& L_u& 0& 0& 0& -L_u\mathrm{\τ}/2\\ 0& 1& 0& 0& 0& -\mathrm{\τ}\\ 0& 0& 1& L_u& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ \mathrm{\τ}& L_u\mathrm{\τ}/2& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1\end{array}\right|---\left(1\right)$

随后偏转腔会对同一切片的电子束沿着时间坐标引入不同大小的踢力，通过合理调节装置参数，电子束会被等效偏转90度，从而消除了电子束横向尺寸对传统偏转腔精度的限制，提高了装置分辨率。