CN107860303A - 一种束团长度诊断方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种束团长度诊断方法及装置。目前针对亚皮秒量级电子束，广泛采用圆柱形或多腔结构。相较之下，本发明通过采用矩形单偏转腔工作在TM₁₂₀模式或TE₁₀₂模式，通过中心轴线上的水平磁场对电子束产生竖直方向偏转作用。因腔体截面自身的非轴对称性，在保证长宽比非1时可以自然实现模式分离，无需额外引入非对称结构，使得腔体设计过程大为简化。并且单腔TM₁₂₀模式或TE₁₀₂模式下的谐振频率与腔体纵向尺寸无关，可以放弃多腔结构下的π相移模式，针对横、纵向尺寸分别优化，得到更加紧凑的结构。本发明经过三维电磁计算和束流跟踪验证，概念新颖，设计可靠，对以自由电子激光应用为代表的超快电子束诊断有重要意义。

Description

一种束团长度诊断方法及装置

技术领域

本发明属于核科学与技术领域，更具体地，涉及一种束团长度诊断方法及装置。

背景技术

近年来，基于加速器的光源装置，如自由电子激光、同步辐射光源等，因其具有超高亮度、超短脉冲、强相干性等传统光源无法比拟的优异性能，已在生命科学、材料科学相关的原子分子动态检测领域获得巨大成功。相应地，随着光阴极电子枪、磁压缩系统的应用，加速器产生的电子束团的长度已从最初的纳秒量级缩短至皮秒甚至飞秒量级，这给电子束的纵向分布测量带来了新的挑战，而束团长度作为加速器设计、调试、运行过程中的重要指标，其精确检测就成为当前加速器领域的研究热点。

在目前众多针对亚皮秒、飞秒量级的超短电子束测量方案中，高频偏转腔在系统稳定性和普适性上具有明显优势，因而成为当前超快电子束检测领域的热门方案。但传统的偏转腔一般为圆柱形结构，该结构不可避免地存在简并模式分离问题，必需专门设计介质棒或者非对称孔槽来锁定极化面，这增加了腔体设计难度，从很大程度上限制了高频偏转腔在超快电子束检测领域的发展和应用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种束团长度诊断方法及装置，由此解决针对目前超快电子束检测中圆柱形偏转腔模式分离困难、需要专门设计非对称结构以及腔体设计分析复杂的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种束团长度诊断方法，包括：

利用矩形单偏转腔产生的TM₁₂₀模或者TE₁₀₂模，对在中心轴线上通过所述矩形单偏转腔的电子束施加横向方向偏转力，将所述电子束的纵向分布转化为横向分布，并通过在下游靶上投影后，以测量所述电子束的纵向信息。

优选地，所述矩形单偏转腔的截面长宽比非1，从而实现模式分离和极化锁定。

优选地，所述矩形单偏转腔的中心轴线上只存在磁场分量H_x或H_y，沿纵向通过的所述电子束与H_x或H_y作用，产生竖直y方向或水平x方向的偏转力，不同相位通过的所述电子束中的粒子所受偏转力大小和方向不同，从而将所述电子束的纵向信息转化为横向分布。

优选地，所述矩形单偏转腔的谐振频率与所述矩形单偏转腔的纵向尺寸无关，且所述矩形单偏转腔的腔体谐振频率与腔体尺寸的关系为：其中，c为真空中的光速，a为腔体的横向x方向的尺寸，b为腔体的横向y方向的尺寸。

优选地，所述矩形单偏转腔的横向尺寸a和b需要在保证谐振频率的同时获得最大的偏转强度，所述矩形单偏转腔的纵向尺寸通过预设值确定，其中，所述偏转强度与所述横向尺寸a和b的关系为

优选地，所述方法还包括：

通过调节所述矩形单偏转腔的腔体的馈入功率以及所述腔体与所述下游靶之间的漂移距离改变测量分辨率。

按照本发明的另一方面，提供了一种实现上述任意一项所述的束团长度诊断方法的装置，包括：矩形单偏转腔以及下游靶；所述下游靶位于所述矩形单偏转腔的下游方向；

所述矩形单偏转腔，用于利用产生的TM₁₂₀模或者TE₁₀₂模对在中心轴线上通过所述矩形单偏转腔的电子束施加横向方向偏转力，将所述电子束的纵向分布转化为横向分布，并通过在所述下游靶上投影后，以测量所述电子束的纵向信息。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明中的矩形单偏转腔自身的非轴对称性可自然实现模式分离和极化面锁定，无需额外设计介质棒或者跑道孔等非对称的特殊结构，只要保证矩形腔截面长宽比非1，在一定馈入功率下，腔内激发TM₁₂₀模或者TE₁₀₂模高频场，自然实现模式分离，极大地简化了腔体设计难度；

(2)矩形单偏转腔TM₁₂₀模或者TE₁₀₂模的中心轴线上只有水平或者竖直方向磁场分量，从而简化了束流动力学分析难度；

(3)本发明中的矩形单偏转腔结构的谐振频率与纵向尺寸无关，可以放弃π相移模式，因此在腔体设计时可以针对横、纵向尺寸分别予以优化，从而得到更加紧凑的结构；

(4)在本发明中，通过改变腔体馈入功率可改变偏转力大小，改变腔体与下游靶之间的漂移段的长度可改变横向分布放大倍数，综合调节这两个参数可实现特定的纵向分辨率，从而使设计者可根据实际情况进行选择、优化。

附图说明

图1为本发明实施例公开的一种矩形单偏转腔横向尺寸优化结果图；

图2为本发明实施例公开的一种矩形单偏转腔作用下的束流跟踪结果示意图；

图3为本发明实施例公开的另一种矩形单偏转腔作用下的束流跟踪结果示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明公开了一种束团长度诊断方法，可以简化腔体设计和束流动力学分析难度，该方法包括：

利用矩形单偏转腔产生的TM₁₂₀模或者TE₁₀₂模，对在中心轴线上通过矩形单偏转腔的电子束施加横向(水平或竖直)方向偏转力，将电子束的纵向分布转化为横向分布，并通过在下游靶上投影后，以测量电子束的纵向信息。

其中，经过偏转腔作用的电子束在离开偏转腔时具有一定的横向速度分量，再经过一段漂移段后，电子束横向分布尺寸得到进一步放大，此时投影在下游靶上即可测量电子束横向分布情况，从而可以反演初始的纵向分布信息。

在一个可选的实施方式中，矩形单偏转腔的截面长宽比非1，可以自然实现模式分离和极化锁定，无需额外引入非对称结构，腔体设计大为简化。

在一个可选的实施方式中，矩形单偏转腔的中心轴线上只存在磁场分量H_x或H_y，沿纵向通过的电子束与H_x或H_y作用，产生竖直y方向或水平x方向的偏转力，不同相位(或时刻)通过的电子束中的粒子所受偏转力大小和方向不同，从而将电子束的纵向信息转化为横向分布。

在一个可选的实施方式中，矩形单偏转腔的谐振频率与矩形单偏转腔的纵向尺寸无关，且矩形单偏转腔的腔体谐振频率与腔体尺寸的关系为：其中，c为真空中的光速，a为腔体的横向x方向的尺寸，b为腔体的横向y方向的尺寸。

在一个可选的实施方式中，矩形单偏转腔的横向尺寸a和b需要在保证谐振频率的同时获得最大的偏转强度，矩形单偏转腔的纵向尺寸通过预设值确定，其中，偏转强度与横向尺寸a和b的关系为

其中，预设值可以根据实际安装空间和总体偏转强度来选择。

在一个可选的实施方式中，该方法还包括：

通过调节矩形单偏转腔的腔体的馈入功率以及腔体与下游靶之间的漂移距离改变测量分辨率。

在本发明的另一方面，还提供了一种束团长度诊断装置，包括：矩形单偏转腔以及下游靶；下游靶位于矩形单偏转腔的下游方向；

矩形单偏转腔，用于利用产生的TM₁₂₀模或者TE₁₀₂模对在中心轴线上通过矩形单偏转腔的电子束施加横向方向偏转力，将电子束的纵向分布转化为横向分布，并通过在下游靶上投影后，以测量电子束的纵向信息。

以下结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

对本发明中的矩形单偏转腔进行仿真分析，可以得到矩形单偏转腔的三维电磁场计算场分布，在功率馈入后，矩形单偏转腔内激发起TM₁₂₀模式或TE₁₀₂模式谐振场，通过仿真结果可以发现，电场能量主要集中在中心轴与腔壁中间处，磁场能量则主要集中在中心轴和腔壁处。电子束通过矩形单偏转腔时，中心轴线处的磁场作用于电子束，产生横向偏转力。

根据矩形单偏转腔TM₁₂₀模式的场分布特点，可以得到腔体谐振频率与腔体尺寸的关系为：

电子束通过腔体后的横向动量增益为：

其中，c为真空中的光速，a、b、h分别为腔体的横向(x、y)和纵向尺寸(z)，e为电子电荷，v_z为电子束纵向速度，E₀为腔体中心轴线上的电场幅值，w为谐振圆频率，为电子注入相位。

在进行腔体设计时，首先需要确定腔体谐振频率f，而此时谐振频率与腔体纵向尺寸无关，只由横向尺寸a、b决定，因而计算横向尺寸时需要在保证谐振频率的前提下提高电子束的横向动量增益。

进一步，在纵向尺寸一定时，横向动量增益与横向尺寸a、b的关系为：

如图1所示，谐振频率与横向尺寸的关系由实线确定，偏转强度的倒数与横向尺寸的关系由虚线确定，设计时需要在保证谐振频率时获得最大偏转强度，即虚线中取最小值，从而得到最佳横向尺寸，其中，本发明实施例中的偏转强度即为横向动量增益。

例如，在谐振频率为2856MHz时，最佳横向尺寸为：

a＝105mm；b＝121.3mm

相应地，腔体纵向尺寸由于与谐振频率无关，可根据实际安装空间和总体偏转强度来选择。获得腔体尺寸后，可根据3维模型得到电磁场分布，从而进行电子束束流跟踪模拟，评估腔体的偏转性能。

如图2与图3所示，相对论束团通过偏转腔，与中心磁场H_x作用，前端粒子在0相位通过，因而不受偏转力，后端粒子在正相位通过，受向下偏转力，越靠近后端的粒子受力越强，因而在通过偏转腔后，水平方向无影响，但在竖直方向产生明显偏转，越靠近后端的粒子偏移量越大。图中展示的是在0.2MW的馈入功率下，束流通过腔体并漂移1m距离后，竖直方向偏转达到4mm。这一显著偏移效果在下游的漂移段放大后可被投影测量，从而精确反演电子束的纵向分布信息。

表1中列出的是本实施例设计的腔体部分关键参数。

表1

参数	数值
		谐振频率	2856MHz
尺寸	105*121.3*38.4mm
		空载品质因子	2000
输入功率	0.2MW
		最大偏转电压	0.12MV

当实际系统中功率源受限时，可适当增加偏转腔与漂移段间距，以获得较大的横向偏移放大倍数，从而保证系统分辨率。当实际系统中空间大小受限时，可采用较强的功率源，以获得较强的横向偏转力，从而保证系统分辨率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种束团长度诊断方法，其特征在于，包括：

利用矩形单偏转腔产生的TM₁₂₀模或者TE₁₀₂模，对在中心轴线上通过所述矩形单偏转腔的电子束施加横向方向偏转力，将所述电子束的纵向分布转化为横向分布，并通过在下游靶上投影后，以测量所述电子束的纵向信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述矩形单偏转腔的截面长宽比非1，从而实现模式分离和极化锁定。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述矩形单偏转腔的中心轴线上只存在磁场分量H_x或H_y，沿纵向通过的所述电子束与H_x或H_y作用，产生竖直y方向或水平x方向的偏转力，不同相位通过的所述电子束中的粒子所受偏转力大小和方向不同，从而将所述电子束的纵向信息转化为横向分布。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的方法，其特征在于，所述矩形单偏转腔的谐振频率与所述矩形单偏转腔的纵向尺寸无关，且所述矩形单偏转腔的腔体谐振频率与腔体尺寸的关系为：其中，c为真空中的光速，a为腔体的横向x方向的尺寸，b为腔体的横向y方向的尺寸。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述矩形单偏转腔的横向尺寸a和b需要在保证谐振频率的同时获得最大的偏转强度，所述矩形单偏转腔的纵向尺寸通过预设值确定，其中，所述偏转强度与所述横向尺寸a和b的关系为

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过调节所述矩形单偏转腔的腔体的馈入功率以及所述腔体与所述下游靶之间的漂移距离改变测量分辨率。

7.一种实现权利要求1至6任意一项所述的束团长度诊断方法的装置，其特征在于，包括：矩形单偏转腔以及下游靶；所述下游靶位于所述矩形单偏转腔的下游方向；

所述矩形单偏转腔，用于利用产生的TM₁₂₀模或者TE₁₀₂模对在中心轴线上通过所述矩形单偏转腔的电子束施加横向方向偏转力，将所述电子束的纵向分布转化为横向分布，并通过在所述下游靶上投影后，以测量所述电子束的纵向信息。