CN116381767A - 一种超短电子束团的测量方法、装置及系统 - Google Patents

一种超短电子束团的测量方法、装置及系统 Download PDF

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CN116381767A CN202310198108.5A CN202310198108A CN116381767A CN 116381767 A CN116381767 A CN 116381767A CN 202310198108 A CN202310198108 A CN 202310198108A CN 116381767 A CN116381767 A CN 116381767A
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electron beam
resonator
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cluster
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徐阳
李小飞
周峰
胡琛
鲍进
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Abstract

本发明公开了一种超短电子束团的测量方法、装置和系统，该方法使用太赫兹同时驱动第一谐振器和第二谐振器，以分别在其间隙处产生角频率相等且方向相互正交的第一偏转电场和第二偏转电场；以电子束团的前进方向为z轴，使其依次通过所述第一谐振器和第二谐振器的间隙，经第一偏转电场、第二偏转电场后，到达探测器；根据所述投影束斑的大小确定对应的电子束团的长度，根据两个束斑中心在y轴方向的间距确定对应的两个电子束团之间的间距。通过采用带有缝隙结构的谐振腔通过谐振增强入射的太赫兹电场提供高梯度的偏转电场，不需要很强的太赫兹源就可以产生场强为数百兆伏每米的偏转场，能够在降低成本的同时实现对超短电子束团的精确测量。

Description

一种超短电子束团的测量方法、装置及系统
技术领域
本发明属于电子束团测量领域，更具体地，涉及一种超短电子束团的测量方法、装置及系统。
背景技术
近年来，随着加速器科学技术的发展，束团长度为飞秒量级的超短电子束团串的应用日渐广泛，包括自由电子激光、尾场加速器和高功率太赫兹源等。在这些应用中，准确地了解单个束团的长度和束团的间距可进一步提高系统性能。例如，在相干史密斯-珀塞尔(Smith-purcell)辐射中，电磁辐射的波长和束团间距在同一量级，而辐射功率与束团长度呈负相关。所以，电子束团串的时间结构信息至关重要。
目前，用于诊断电子束团串的传统方法主要有自相关法和零相位法。自相关法是一种间接测量法，且需要多次测量。由于测量中迈克尔逊干涉仪动镜的移动是机械运动，所以响应速度慢，测量分辨率约百飞秒量级。零相位法可以达到几个飞秒的分辨率，但需要引入额外的射频腔和偏转磁铁。实际应用中，还需要对初始束团参数仔细校准，操作复杂，成本高昂。难以对束团串中的每个束团保持高分辨率的测量。
随着强太赫兹源的发展，太赫兹波在超短电子束的诊断方面展现了极大的潜力。太赫兹电磁波的典型周期在皮秒量级，其线性区在百飞秒量级。基于太赫兹驱动的条纹相机能够提供太赫兹频段的高梯度偏转场，以实现亚飞秒的分辨率。但由于电子束团串中束团间距很小，后续束团的时间信息会在探测器上重合。因此，目前太赫兹驱动的单个亚波长谐振腔只能用于单个束团的诊断，难以对束团串中每个束团进行独立测量。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种超短电子束团的测量方法、装置及系统，能够精准测量超短电子束团串中每个束团的长度及束团之间的间隔，解决目前超短电子束团串的诊断难题。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种超短电子束团的测量方法，包括：
S1，使用太赫兹同时驱动第一谐振器和第二谐振器，以分别在其间隙处产生角频率相等且方向相互正交的第一偏转电场和第二偏转电场；
S2，以电子束团的前进方向为z轴，使其依次通过所述第一谐振器和第二谐振器的间隙，经第一偏转电场、第二偏转电场后，到达探测器；
其中，所述第一偏转电场用于对所述电子束团施加y方向的偏转力，使其在y轴方向上发生偏转；所述第二偏转电场用于对所述电子束团施加横向x轴方向的偏转力，以使其在所述探测器上的投影束斑沿x轴方向分离；
S3，根据所述投影束斑的大小S及公式
Figure BDA0004107939710000021
确定对应的电子束团的长度ΔT；根据两个束斑中心在y轴方向的间距Δy及公式/>
Figure BDA0004107939710000022
确定对应的两个电子束团之间的间距Δt；
其中，ω为偏转电场的角频率，
Figure BDA0004107939710000023
为等效偏转电场强度，e为元电荷，P为电子束团的动量，D为第二谐振器到探测屏的距离，Tp为电子束团穿过第一谐振器间隙的时间。
按照本发明的第二方面，提供了一种超短电子束团串的测量装置，包括：处理器、沿电子束团前进方向依次放置的第一谐振器、第二谐振器、探测器；
所述第一谐振器、第二谐振器用于在太赫兹的同时驱动下，分别在其间隙处产生角频率相等且方向相互正交的第一、第二偏转电场；其中，所述第一偏转电场用于对所述电子束团施加y方向的偏转力，使其在y轴方向上发生偏转；第二偏转电场用于对所述电子束团施加横向x轴方向的偏转力，以使其在所述探测器上的投影束斑沿x轴方向分离；
所述探测器用于探测投影束斑的信息；
所述处理器用于根据束斑大小S及公式
Figure BDA0004107939710000031
确定所述电子束团的长度ΔT；并根据两个束斑中心在y轴方向的间距Δy及公式/>
Figure BDA0004107939710000032
确定所述电子束团之间的间距Δt；
其中，ω为偏转电场的角频率，
Figure BDA0004107939710000033
为等效偏转电场强度，e为元电荷，P为电子束团的动量，D为第二谐振器到探测屏的距离，Tp为电子束团穿过第一谐振器间隙的时间。
按照本发明的第三方面，提供了一种超短电子束团的测量系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如第一方面所述的方法。
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、本发明提供的超短电子束团的测量方法、装置和系统，通过上游谐振器为电子束团仅提供y方向的偏转力，下游谐振器仅提供x方向的偏转力，使最终呈现在探测器上的束斑信息此分开互不干扰，实现对电子束团串中各电子束团的时间信息测量，简化了束流动力学分析难度，利用上、下游谐振器提供的正交的偏转场以及场的衰减性质，同时获取束团串中每一个电子束的时间结构信息。
2、本发明提供的超短电子束团的测量方法、装置和系统，采用带有缝隙结构的谐振腔通过谐振增强入射的太赫兹电场提供高梯度的偏转电场，不需要很强的太赫兹源就可以产生场强为数百兆伏每米的偏转电场，能够在降低成本的同时实现对超短电子束团的精确测量。
3、本发明提供的超短电子束团的测量方法、装置和系统，驱动两个谐振器的太赫兹以及用于驱动电子源(例如光阴极电子枪)的激光来自于同一束激光，保证了电子束团和谐振器内太赫兹偏转场的同步性，两个偏转电场的延时和相位可以通过光路系统准确控制，实现束团和偏转场的准确操控。由此极大提高了束团长度和束团间距测量的分辨率，实现对超短电子束团的精准测量。
附图说明
图1为本发明实施例提供的超短电子束团的测量方法流程示意图；
图2为本发明实施例提供的超短电子束团的测量装置示意图之一；
图3为本发明实施例提供的SRR示意图之一；
图4为本发明实施例提供的超短电子束团的测量过程示意图之一；
图5为本发明实施例提供的超短电子束团依次经过第一谐振器、第二谐振后到达探测器的示意图；
图6为本发明实施例提供的偏转电场强度分布示意图之一；
图7为本发明实施例提供的偏转电场强度分布示意图之二；
图8为本发明实施例提供的偏转电场对电子束团的作用示意图；
图9为本发明实施例提供的超短电子束团的测量装置示意图之二；
图10为本发明实施例提供的带缝隙结构的谐振器示意图之一；
图11为本发明实施例提供的超短电子束团的测量过程示意图之二；
图12为束流跟踪结果中束团在探测器上投影分布的示意图；
图13为束流跟踪结果中束团中心偏移及根据束斑大小反推出的束团长度与束团到达时间延迟关系的示意图。
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。
本发明实施例提供一种超短电子束团的测量方法，如图1所示，包括：
S1，使用太赫兹同时驱动第一谐振器和第二谐振器，以分别在其间隙处产生角频率相等且方向相互正交的第一偏转电场和第二偏转电场。
具体地，所述第一谐振器和第二谐振器均带有间隙，即为带有狭缝结构的谐振器，两个谐振器的间隙长度可以相同，也可以不同。带有缝隙结构的谐振腔通过谐振增强入射的太赫兹电场提供高梯度的偏转电场，不需要很强的太赫兹源就可以产生场强为数百兆伏每米的偏转场，能够在降低成本。该偏转电场集中分布在缝隙处，近似为幅值随着时间指数衰减的正弦波。
S2，以电子束团的前进方向为z轴，使其依次通过第一偏转电场、第二偏转电场后，到达探测器；
其中，所述第一偏转电场用于对所述电子束团施加y方向的偏转力，使其在y轴方向上发生偏转；所述第二偏转电场用于对所述电子束团施加横向x轴方向的偏转力，以使其在所述探测器上的投影束斑沿x轴方向分离。
具体地，电子束团依次穿过第一、第二谐振器的间隙，在第一偏转电场的作用下在y轴方向上发生偏转，在第二偏转电场的作用下在x轴方向的上发生偏转后，到达探测器，探测器上的透镜束斑沿x轴方向分离。
如图2-5所示，其中，图2-4中的第一谐振器和第二谐振器采用分裂环谐振器(split ring resonator,SRR)，在太赫兹的作用下，第一谐振器和第二谐振器产生相互正交THz偏转电场，且与电子束的前进轴线正交。电子束团依次经过第一、第二谐振器的狭缝中间，上游谐振器中的THz偏转电场(即第一偏转电场)，对每一个零相位点的电子束团施加垂直方向(即y方向)的偏转力，将其纵向分布(即z方向)转换为垂直的横向分布；下游谐振器中的衰减THz偏转电场水平偏转电子束团，使其在下游探测器上的投影沿x方向相互分离。最终呈现在探测器上的束斑信息因此彼此分开互不干扰，实现测量所述电子束的时间信息。图2-4中的第一谐振器产生的第一偏转电场分布如图6-7所示，图6中第一偏转场的偏转电场幅值沿z轴的归一化分布，最高点对应偏转电场峰值。阴影部分为间隙；图7中显示的是y＝0的XZ平面上的电场分布。
S3，根据投影束斑大小S(即束斑在y轴方向上的均方根长度)及公式
Figure BDA0004107939710000061
确定与所述投影束斑对应的电子束团的长度ΔT；其中，ω为偏转电场的角频率(第一、第二偏转电场的角频率相同)，/>
Figure BDA0004107939710000062
为等效偏转电场强度，为了简化计算，将沿z轴的电场强度Ey(z)等效为间隙范围内均匀电场强度，即：/>
Figure BDA0004107939710000063
e为元电荷，P为电子束团的动量，D为第二谐振器出口到探测器的探测屏的距离，Tp为电子束团穿过第一谐振器间隙的渡越时间；
根据任意两个相邻的投影束斑中心在y轴方向的间距Δy及公式
Figure BDA0004107939710000064
确定与所述任意两个相邻的投影束斑对应的两个相邻的电子束团之间的间距Δt。
优选地，所述电子束团经过第一偏转电场的线性区。
优选地，所述电子束团经过第一偏转电场的零相位点。
优选地，所述电子束团经过第二偏转电场的极值点。
具体地，两个谐振器中，上游谐振器仅提供竖直y方向的偏转力。电子束团通过谐振器的THz偏转场的不同相位时，其所受偏转力的大小不同，从而将所述电子束团的纵向(即z轴)信息转换为横向(即xoy平面)分布。
当电子束的中心正好通过偏转电场的zero-crossing相位点(即零相位点，在该点电场梯度的模最大)时，束团前后(即头部和尾部)的电子所受的力对称相反。因此，电子束发生旋转后，在探测器上对称分布。
如果探测器上电子束的中心偏移，由电子束中心与zero-crossing相位的差异导致，即电子束的到达时间信息。由此，束团串的间距可以计算得到。
下游的谐振器仅提供x方向的偏转力，使相继的电子束团在水平x方向偏离轴线。每个离开上游谐振器的束团依次经过下游谐振器偏转场的极值点，产生x轴方向的动量。偏转场随时间衰减，被测束团偏离轴线的程度同比例变化，最终呈现在探测器上的束斑相互分离，最终呈现在探测器上的束斑信息因此彼此分开互不干扰，实现测量所述电子束的时间信息。
根据束团串中束团的间距和数量，调节谐振器的几何参数控制其谐振频率，使偏转场的频率满足测量需求。
如图8所示(图8中的偏转场为第一偏转场)，若电子束以零相位经过偏转场，束团中心的电子没有受到横向的净偏转，则到达探测器后横向坐标为零。电子束团的头部和尾部受到相反方向的横向作用，若不考虑偏转场的衰减，则在经过第二谐振器到达探测器上关于y轴对称分布。若电子束不以零相位经过偏转场，束团中心的电子将会受到横向的净偏转，则在经过第二谐振器到达探测器上关于y轴非对称分布。不论在探测器上是否关于y轴对称分布，根据探测器上束团中心在y方向上的间距均可反推出束团间的距离。
而无论电子束是否经过零相位，都要保证电子束经过偏转电场的线性区(即零相位点附近场强近似线性变化的区域，在该区域场强变化率基本不变，接近常数，如图2中第一谐振器的电场波形图中的灰色线段所示，该区域可由本领域技术人员根据实际测量情况进行选择，例如：场强变化率为k±0.1的区域)，才能通过探测器上电子束的束斑准确反推出电子束信息。
优选地，第二谐振器的间隙在y方向上的长度大于第一谐振器的间隙在y方向上的长度。
可以理解的是，电子束团经过第一偏转电场后，由于受到了y方向的偏转力，在y方向发生了一定的偏转，因此，为确保经第一次偏转后的电子束团的头部和尾部均受到第二偏转电场的作用，第二谐振器的间隙在y方向上的长度应大于第一谐振器的间隙在y方向上的长度。
本发明实施例提供一种超短电子束团串的测量装置，包括：处理器、沿电子束团前进方向依次放置的第一谐振器、第二谐振器、探测器。
具体地，如图9所示，第一谐振器、第二谐振器沿着电子前进轴线方向安置。
所述第一谐振器、第二谐振器用于在太赫兹的同时驱动下，分别在其间隙处产生角频率相等且方向相互正交的第一、第二偏转电场；其中，所述第一偏转电场用于对所述电子束团施加y方向的偏转力，使其在y轴方向上发生偏转；第二偏转电场用于对所述电子束团施加横向x轴方向的偏转力，以使其在所述探测器上的投影束斑沿x轴方向分离。
可以理解的是，第一谐振器和第二谐振器之间的距离应确保两个谐振器的偏转电场不会相互影响。
所述探测器用于探测投影束斑的信息；
所述处理器用于根据束斑大小S及公式
Figure BDA0004107939710000091
确定所述电子束团的长度ΔT；并根据两个束斑中心在y轴方向的间距Δy及公式/>
Figure BDA0004107939710000092
确定所述电子束团之间的间距Δt；
其中，ω为偏转电场的角频率，
Figure BDA0004107939710000093
为等效偏转电场强度，e为元电荷，P为电子束团的动量，D为第二谐振器到探测屏的距离，Tp为电子束团穿过第一谐振器间隙的渡越时间。
优选地，所述装置还包括：激光源、电子源、第一分光镜、第二分光镜、第一太赫兹发生器、第二太赫兹发生器、频率调整装置、第一延时装置和第二延时装置；
所述激光源发出的激光经所述第一分光镜分成两光束，其中，第一光束经所述频率调整装置调整频率后，驱动所述电子源产生电子束团；第二光束经第二分光镜再次分成两光束，分别用于驱动所述第一太赫兹发生器、第二太赫兹发生器产生太赫兹；
所述第一延时装置用于对所述第二光束进行调控，所述第二延时装置用于对驱动第二太赫兹发生器的光束进行调控。
具体地，驱动两个谐振器的太赫兹以及用于驱动电子源(例如光阴极电子枪)的激光来自于同一束激光，以保证电子束团和谐振器内太赫兹偏转场的同步性，两个偏转场的延时和相位可以通过光路系统准确控制，实现束团和偏转场的准确操控，从而提高测量的分辨率。
如图9所示，激光器产生的激光一部分经过三倍频后用于激发电子束团，剩下的分为两部分分别经过太赫兹发生器后，转化为太赫兹激发两个谐振器，在谐振器中产生偏转场。电子束团和两个偏转场之间的相位可以通过延时装置准确控制。
优选地，所述第一谐振器和第二谐振器均为分裂环谐振器，其分裂环谐振腔为金属的亚波长结构。所述第一谐振器和第二谐振器也可为如图10-11所示的带缝隙结构的板状。可以理解是，本发明不对第一谐振器和第二谐振器的结构做具体限定，只要是带有狭缝结构、在太赫兹的作用下能够在狭缝处产生太赫兹电场的谐振器均可。
优选地，图10中的各参数取值如表1所示
表1
Figure BDA0004107939710000101
具体地，分裂环谐振器(split ring resonator,SRR)的分裂环谐振腔放大了入射THz波，提供高梯度的偏转THz场。SRR谐振腔的增强系数由其几何参数和材料决定。
以下结合仿真实例对本发明实施例提供的方法进行进一步的说明。
以第一、第二谐振器采用如图3所示的分裂环谐振器为例，对太赫兹驱动的分裂环谐振器进行仿真分析，可以得到谐振器中的三维电磁场分布，由此结合束流跟踪软件，分析束流行为。
两个分裂环谐振腔的示意图如图3所示，参数如表2所示，下游SRR增加了y轴方向间隙的厚度，以容纳所有电子，使每一个电子受到均匀的偏转。两个谐振腔的材料为铜，谐振频率都设计为0.3太赫兹，沿轴线的距离为1厘米。
表2
Figure BDA0004107939710000102
Figure BDA0004107939710000111
由同一束激光产生的两个太赫兹驱动脉冲分别激发两个SRR，得到增强的太赫兹谐振场；两个SRR的几何参数决定其场强增强因子分别约为22倍和15倍。两个谐振场强的设计目标为100MV/m和200MV/m。所需太赫兹驱动脉冲场强分别为4.55MV/m和13.33MV/m。
使6个电子束团串依次通过两个SRR的间隙，控制两个正交的偏转场的相位，使束团经过第一个偏转场的零相位点以及第二个偏转场的峰值点。衰减的偏转场使束团在下游探测器上的投影相互分离，探测器上的束斑分布如图12所示。
受到上游SRR提供的竖直y方向的偏转力后，电子束的纵向信息转换为横向分布。束团长度和探测器测量的束斑横向大小的关系为：
Figure BDA0004107939710000112
如图13所示，探测器上电子束的中心偏移信息表示了电子束的到达时间信息，即束团串的间距。并且由于束团经过零相位点附近的近线性区，一定范围内电子束到达时间的变化不会影响束团长度信息。
在SRR几何参数及材料确定的情况下，太赫兹驱动脉冲能量的分配决定了两个偏转场的场强。第一个偏转场决定了电子束团串束长测量和间距测量的分辨率。由图12可以看出，竖直y方向场强的衰减使束团的束斑大小依次减小。在这个示例中，测量束团串的时间分辨率由测量第六个束团的分辨率决定，测量束长的分辨率为2.5飞秒，测量间距的分辨率为1飞秒。第二个偏转场决定了能够测量的束团串中束团的个数。由图12可以看出，水平x方向场强的衰减使束斑彼此分开，同时束斑之间的距离不断缩小。当束斑距离缩小到无法分辨两个束团的信息，则不能完成测量。所以根据测量的分辨率以及束团数量的测量需求，要合理分配太赫兹驱动脉冲的能量大小，使得效率最大化。
本发明实施例提供一种超短电子束团的测量系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如上述任一实施例所述的方法。
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 (9)

1.一种超短电子束团的测量方法，其特征在于，包括：
S1，使用太赫兹同时驱动第一谐振器和第二谐振器，以分别在其间隙处产生角频率相等且方向相互正交的第一偏转电场和第二偏转电场；
S2，以电子束团的前进方向为z轴，使其依次通过所述第一谐振器和第二谐振器的间隙，经第一偏转电场、第二偏转电场后，到达探测器；
其中，所述第一偏转电场用于对所述电子束团施加y方向的偏转力，使其在y轴方向上发生偏转；所述第二偏转电场用于对所述电子束团施加横向x轴方向的偏转力，以使其在所述探测器上的投影束斑沿x轴方向分离；
S3，根据所述投影束斑的大小S及公式
Figure FDA0004107939700000011
确定对应的电子束团的长度ΔT；根据两个束斑中心在y轴方向的间距Δy及公式/>
Figure FDA0004107939700000012
确定对应的两个电子束团之间的间距Δt；
其中，ω为偏转电场的角频率，
Figure FDA0004107939700000013
为等效偏转电场强度，e为元电荷，P为电子束团的动量，D为第二谐振器到探测屏的距离，Tp为电子束团穿过第一谐振器间隙的时间。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电子束团经过第一偏转电场的线性区。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述电子束团经过第一偏转电场的零相位点。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述电子束团经过第二偏转电场的极值点。
5.如权利要求1或4所述的方法，其特征在于，第二谐振器的间隙在y方向上的长度大于第一谐振器的间隙在y方向上的长度。
6.一种超短电子束团串的测量装置，其特征在于，包括：处理器、沿电子束团前进方向依次放置的第一谐振器、第二谐振器、探测器；
所述第一谐振器、第二谐振器用于在太赫兹的同时驱动下，分别在其间隙处产生角频率相等且方向相互正交的第一、第二偏转电场；其中，所述第一偏转电场用于对所述电子束团施加y方向的偏转力，使其在y轴方向上发生偏转；第二偏转电场用于对所述电子束团施加横向x轴方向的偏转力，以使其在所述探测器上的投影束斑沿x轴方向分离；
所述探测器用于探测投影束斑的信息；
所述处理器用于根据束斑大小S及公式
Figure FDA0004107939700000021
确定所述电子束团的长度ΔT；并根据两个束斑中心在y轴方向的间距Δy及公式/>
Figure FDA0004107939700000022
确定所述电子束团之间的间距Δt；
其中，ω为偏转电场的角频率，
Figure FDA0004107939700000023
为等效偏转电场强度，e为元电荷，P为电子束团的动量，D为第二谐振器到探测屏的距离，Tp为电子束团穿过第一谐振器间隙的时间。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括：激光源、电子源、第一分光镜、第二分光镜、第一太赫兹发生器、第二太赫兹发生器、频率调整装置、第一延时装置和第二延时装置；
所述激光源发出的激光经所述第一分光镜分成两光束，其中，第一光束经所述频率调整装置调整频率后，驱动所述电子源产生电子束团；第二光束经第二分光镜再次分成两光束，分别用于驱动所述第一太赫兹发生器、第二太赫兹发生器产生太赫兹；
所述第一延时装置用于对所述第二光束进行调控，所述第二延时装置用于对驱动第二太赫兹发生器的光束进行调控。
8.如权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述第一谐振器和第二谐振器均为分裂环谐振器。
9.一种超短电子束团的测量系统，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如权利要求1-5任一项所述的方法。
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CN117553916A (zh) * 2023-11-13 2024-02-13 散裂中子源科学中心 一种基于连续双缝扫描的束流发射度测量仪及测量方法

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