作為第四代先進(jìn)光源，自由電子激光由高亮度電子束團(tuán)驅(qū)動(dòng)，然而由于微波電場(chǎng)加速和束團(tuán)長(zhǎng)度壓縮，直線加速器產(chǎn)生的電子能量在束團(tuán)縱向尺度上不可避免地呈非均勻分布。電子束團(tuán)的這種不均勻性，將減緩自由電子激光增益，并破壞其縱向相干性。因此在短波長(zhǎng)自由電子激光裝置中，人們提出了偏峰加速和高次諧波結(jié)構(gòu)兩種方法，來(lái)分別補(bǔ)償電子束團(tuán)縱向相空間的線性和非線性變化。

　　2012年，美國(guó)SLAC實(shí)驗(yàn)室的K. Bane和G. Stupakov提出了金屬溝槽結(jié)構(gòu)補(bǔ)償電子束團(tuán)能量的概念（Nucl. Instr. Meth. A 690 (2012) 106），束流在經(jīng)過(guò)溝槽結(jié)構(gòu)時(shí)激起尾波場(chǎng)，可以補(bǔ)償電子束團(tuán)縱向相空間的線性耦合。相對(duì)于其他方法，溝槽結(jié)構(gòu)由于其簡(jiǎn)單、被動(dòng)性、高性價(jià)比等特點(diǎn)，得到了國(guó)際加速器界的高度關(guān)注。2013年，美國(guó)SLAC和LBNL實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家通力合作，在韓國(guó)PAL實(shí)驗(yàn)室70Mev直線加速器上，成功地利用溝槽結(jié)構(gòu)補(bǔ)償了電子束團(tuán)縱向相空間的線性耦合（Phys. Rev. Lett.112(2014)034801）。

　　2012年，上海應(yīng)用物理研究所自由電子激光團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)匹配金屬溝槽結(jié)構(gòu)參數(shù)，也能補(bǔ)償電子束團(tuán)縱向相空間的非線性耦合（Qiang Gu et al.， Proceedings of LINAC2012， Tel-Aviv， Israel， 525-527）。2013年，自由電子激光團(tuán)隊(duì)提出在SDUV-FEL開展電子束團(tuán)非線性補(bǔ)償?shù)膶?shí)驗(yàn)方案，并經(jīng)過(guò)一年的努力，將金屬溝槽真空腔等硬件集成到了SDUV-FEL。2014年04月，經(jīng)過(guò)精心調(diào)試，研究人員利用金屬溝槽結(jié)構(gòu)，成功地補(bǔ)償了電子束團(tuán)縱向相空間的非線性耦合，同時(shí)完成了自由電子激光輻射光譜改善和電子束團(tuán)能散降低的測(cè)量。這是國(guó)際上首次將金屬溝槽結(jié)構(gòu)運(yùn)行在自由電子激光裝置中。

　　金屬溝槽結(jié)構(gòu)在SDUV-FEL的成功實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，對(duì)當(dāng)前及未來(lái)自由電子激光等大科學(xué)裝置的發(fā)展具有重要的實(shí)際意義并且產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。目前，國(guó)際上，美國(guó)SLAC實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)準(zhǔn)備將金屬溝槽結(jié)構(gòu)應(yīng)用到其X射線FEL用戶裝置中；在國(guó)內(nèi)，金屬溝槽結(jié)構(gòu)有望在建設(shè)中的大連相干光源、上海軟X射線自由電子激光、上海交通大學(xué)超快電子透鏡等裝置中得到應(yīng)用。該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家科技部“973”項(xiàng)目和中國(guó)科學(xué)院的資助支持。

電子束團(tuán)通過(guò)金屬溝槽結(jié)構(gòu)時(shí)，縱向相空間的非線性被尾波場(chǎng)補(bǔ)償

電子束團(tuán)在金屬溝槽結(jié)構(gòu)中激起的縱向尾波場(chǎng)