近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在基于激光尾波場(chǎng)加速電子束發(fā)射度診斷方面取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)提出了一種電子束橫向切片發(fā)射度單發(fā)診斷方案。相關(guān)研究成果以“Measurement of electron beam transverse slice emittance using a focused beamline”為題發(fā)表在High Power Laser Science and Engineering上。

得益于激光尾波場(chǎng)的超高加速梯度，基于激光尾波場(chǎng)加速的電子束有望應(yīng)用于超緊湊輻射源和臺(tái)式化自由電子激光，這對(duì)電子束品質(zhì)提出了更高的要求。研究中，一般用六維相空間亮度表征電子束的綜合品質(zhì)，其中和分別表示電子束水平和垂直發(fā)射度。品質(zhì)優(yōu)化依賴于精確的診斷方案，而尾波場(chǎng)的不穩(wěn)定性導(dǎo)致電子束發(fā)次間存在抖動(dòng)，而微米量級(jí)尺寸的電子束以近光速運(yùn)動(dòng)，且由于尾波場(chǎng)的不穩(wěn)定性，電子束發(fā)與發(fā)之間存在抖動(dòng)，因此如何實(shí)現(xiàn)電子束橫向發(fā)射度高分辨率的單發(fā)測(cè)量，對(duì)電子束發(fā)射度進(jìn)一步優(yōu)化具有重要意義。

針對(duì)上述問題，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種適用于激光尾波場(chǎng)加速電子束橫向切片發(fā)射度的單發(fā)診斷方案。電子在空泡中除了受到縱向加速場(chǎng)，也會(huì)受橫向聚焦力而產(chǎn)生橫向振蕩，而振蕩的頻率是和能量相關(guān)的，這就使得不同能量的電子在振蕩的過程中會(huì)產(chǎn)生橫向相位差。通過相位補(bǔ)償，不同能量的電子在橫向相空間上保持同一相位，束團(tuán)呈現(xiàn)出切片信息?；谙辔谎a(bǔ)償，結(jié)合具有能散的電子束團(tuán)經(jīng)過一條聚焦束線后，其橫向尺寸與能量的耦合關(guān)系，可以計(jì)算出電子束橫向切片發(fā)射度。該方案的測(cè)量精度可以達(dá)到10 nm量級(jí)，經(jīng)過優(yōu)化在實(shí)驗(yàn)上測(cè)得發(fā)射度為0．27 mm mrad。精確的診斷方案可以作為發(fā)射度進(jìn)一步優(yōu)化的依據(jù)，根據(jù)測(cè)得的發(fā)射度，可以設(shè)計(jì)匹配的束線保證電子束長(zhǎng)距離傳輸，實(shí)現(xiàn)臺(tái)式化自由電子激光更高品質(zhì)輻射輸出。

圖1 電子束低能部分（a）和高能部分（b）橫向相空間運(yùn)動(dòng)軌跡，相位補(bǔ)償前（c）和相位補(bǔ)償后（d）電子橫向相空間分布

圖2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果和補(bǔ)償?shù)南辔徊?/p>