电子束瞬态能量啁啾重建方法技术

本发明专利技术电子束瞬态能量啁啾重建方法，涉及电子束瞬态能量啁啾诊断技术领域。一种电子束瞬态能量啁啾重建方法，采用紧聚焦啁啾脉冲激光a经延时器(1)，抛物面镜(2)聚焦后与啁啾电子束b相互作用，经电子能谱仪(3)对啁啾电子束b的能谱及横向发散角分布，运用能域的傅里叶变换以实现对电子束瞬态能量啁啾的重建，其包括步骤：A‑E。本发明专利技术与现有技术比较：第一，可对电子束团瞬态能量啁啾进行重建。第二，装置简便。只依托于抛物面镜、电子能谱仪等常用成熟稳定可靠的器件即可实现。第三，扩展性好。采用的脉冲激光可以扩展到任意波段。对于小型加速器控制优化及各种新型加速器中电子束的动力学行为探索及其优化来说具有重大意义。

【技术实现步骤摘要】
电子束瞬态能量啁啾重建方法
本专利技术涉及电子束瞬态能量啁啾诊断
，具体指一种电子束瞬态能量啁啾重建方法。
技术介绍
在光学中，信号频率随时间而变化这一特征称之为啁啾，对于粒子束而言，啁啾表现为粒子束能量随时间而变化。传统的飞秒级超短电子束能量啁啾诊断方法，主要采用射频横向偏转器，如X-band。X-band的主要原理为电子束在射频腔内传输时在其横向加载一高频射频场，这一射频场在纵向具有一定梯度，从而使电子束发生依赖于纵向尺度的横向偏转，结合电子能谱仪可获得电子束的能量啁啾诊断。美国斯坦福直线加速器中心在2014年通过使用1m长的X-band装置，在实验实现了能量4.7GeV和15.2GeV、脉宽2.6-11.3fs的电子束的能量啁啾诊断[V.A.Dolgashevetal.，PhysRevSTAB.17102801(2014)]。射频横向偏转器由于射频场场强的限制，需要较长的相互作用时间来保证电子束获得足够大的横向动量，在这个过程中需要保证电子束的能量啁啾分布不发生变化，即电子束平均能量较大，一般为GeV量级，所以采用这种方式诊断得到的并不是电子束的瞬态能量啁啾分布。对于低能超短电子束，由于电子束啁啾分布在较短距离内会发生较大变化，射频横向偏转器并不适用。而对低能超短电子束瞬态能量啁啾的诊断，对于加速器中高品质高亮度电子束的产生和控制非常关键，特别是对于各种新型加速器中电子束的动力学行为探索及其优化来说，电子束瞬态能量啁啾重建是电子束完备相空间分布描述的必要条件。因此，发展一种新的适用于电子束瞬态能量啁啾诊断的方法势在必行。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的缺失和不足，提出一种电子束瞬态能量啁啾重建方法。本专利技术的基本思路采用紧聚焦的啁啾脉冲激光和啁啾电子束进行相互作用，运用能域的傅里叶变换以实现对电子束瞬态能量啁啾的重建。本专利技术的原理简介x偏振的紧聚焦啁啾脉冲激光的电磁场分量可表示如下：Bx＝0，(4)其中ξ＝x/w0，v＝y/w0，ε＝w0/zr，ρ2＝ξ2+v2，f＝i/(z/zr+i)，为瑞利长度，w0为激光腰斑，ω(ζ)＝1+b0ζ为线性啁啾的激光频率，ζ＝z-t为迟滞时间，b0为激光频率啁啾系数，τ为激光脉宽，为常数相位。本专利技术采用归一化单位制：频率对激光中心频率ω0归一化，长度对激光中心波长λ0归一化，时间对2π/ω0归一化，速度对真空光速c归一化，动量对mec归一化，场对mecω0a0/e归一化。me为电子质量，e为基本电荷，a0为归一化矢势。在啁啾脉冲激光与啁啾电子束相互作用过程结束后，对于电子束，其横向动量增益为Δpx＝-e∫(Ex-By)dt。如附图3所示为轴上x＝y＝0处(Ez-By)随时间的演化以及不同条件下相互作用结束后得到的Δpx分布。由附图3可知在tanθ＝w0/zr情况下电子束能得到最大的横向动量增益。且对啁啾脉冲激光进行紧聚焦，将相互作用过程限制在极短范围内，以w0＝λ0＝1μm为例，10zr＝31.4μm，相比于电子束能量啁啾的演化时间，相互作用过程可认为是瞬态的。引入α＝px/pz，则可以通过电子束能谱仪得到α(pz)，而由啁啾激光的啁啾性可以得到α(ζ)，而通过对角分布α(pz)和α(ζ)的解耦从而得到pz(ζ)，就能得到电子束的能量啁啾分布。所述线性啁啾电子束情况，此时pz(ζ)＝C0+C1ζ。首先，对于C1的正负性，也就是电子束是正啁啾的还是负啁啾的，可以直接通过电子束能谱仪3诊断得到的α(pz)来判断：对于正啁啾的脉冲激光(b0＜0)，如果α(pz)在高能处的调制周期大于低能处的调制周期，则电子束为负啁啾的，也就是C1＞0，反之则C1＜0。另一方面，对于C1的具体数值，可以通过α(pz)的频域特征来判断，对α(pz)做基于能域的傅里叶变换，可得：其中而对于α(ζ)在空域的傅里叶变换，有因此F2(ω)＝F0(ω)。由式(7)可以得到两个推论：第一，C1会导致F1(ω)的带宽变化及频移，相比于F0(ω)的频谱分布，F1(ω)的带宽会缩小或展宽|C1|倍，且中心频率会变为ω0/|C1|，因此|C1|可由F1(ω)相比于F0(ω)的变化来得到；第二，C0对F1(ω)没有影响，C0只影响α(pz)在空域内的分布，因此C0可直接由电子束的能谱获得。以图4为例，ΔW0/ΔW1≈5.3，ω0/ω1≈4.9，而|C1|＝5，满足|C1|≈ΔW0/ΔW1≈ω0/ω1，而由b＜0且α(pz)在低能处调制周期更大可得C1＜0，巨所以得到C1≈-5，C0≈100。本专利技术的技术方案一种电子束瞬态能量啁啾诊断重建方法，包括下列步骤：①先采用FROG或SPIDER测量啁啾脉冲激光的光谱相位和光谱强度分布，得到啁啾脉冲激光的中心频率ω0及啁啾参数b0；②建立诊断光路：啁啾脉冲激光经节延时器、抛物面镜聚焦后与啁啾电子束相互作用，之后横向调制的啁啾电子束自由传输进入电子能谱仪；③横向调制诊断：通过调节延时器来改变啁啾脉冲激光和啁啾电子束之间的延时，记录电子能谱仪上电子束横向调制出现和结束对应所述的延时器的位置，取中间值进行实验，通过电子能谱仪得到此时啁啾电子束的横向调制α(pz)以及其能谱pz；④对α(pz)进行能域傅里叶变换得到F1(ω)，得到F1(ω)的中心频率ω1，并得到电子束能量均值通过下列公式，可得到啁啾电子束的一阶能量啁啾系数C1的绝对值以及常数项C0；|C1|≈ω0/ω1，⑤结合啁啾脉冲激光的啁啾参数b0以及α(pz)的分布特征来判断C1的符号，对于b0＜0，如果α(pz)在高能处的调制周期大于低能处的调制周期，则啁啾电子束(b)为负啁啾，也就是C1≈ω0/ω1，反之则C1≈-ω0/ω1。如上所述，本专利技术提出一种使用紧聚焦啁啾脉冲激光来对电子束瞬态能量啁啾进行重建的方法，该方法能有效对飞秒级甚至更短的低能电子束的瞬态能量啁啾进行诊断，同时运用能域的傅里叶变换，可实现对电子束能量啁啾分布的快速实时重建，这对于加速器中高品质高亮度电子束的产生和控制非常关键，特别是对于各种新型加速器中电子束的动力学行为探索及其优化来说具有重大意义。与现有技术比较1、可对电子束瞬态能量啁啾进行诊断。目前尚不存在其他方案能够实现电子束的瞬态能量啁啾诊断。2、装置简便。不需要重新设计复杂的装置，只依托于抛物面镜、电子能谱仪等常用成熟稳定可靠的器件即可实现。3、扩展性好。采用的脉冲激光可以扩展到任意波段。附图说明图1本专利技术电子束瞬态能量啁啾重建方法装置示意图；图2本专利技术电子束瞬态能量啁啾重建方法流程图图3实施例：tanθ＝w0/zr情况下轴上(x＝y＝0)场(Ex-By)分布以及不同θ条件下相互作用结束后轴上电子的横向动量增益Δpx；图4实施例：紧聚焦啁啾脉冲激光与啁啾电子束相互作用结束后α(ζ)和α(pz)对应F1(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电子束瞬态能量啁啾重建方法，啁啾脉冲激光a经延时器(1)，抛物面镜(2)聚焦后与啁啾电子束b相互作用，经电子能谱仪(3)对啁啾电子束b的能谱及横向发散角分布进行诊断，其特征在于，包括下列步骤：/nA.采用FROG或SPIDER测量啁啾脉冲激光a的光谱相位和光谱强度分布，得到啁啾脉冲激光a的中心频率ω

【技术特征摘要】
1.一种电子束瞬态能量啁啾重建方法，啁啾脉冲激光a经延时器(1)，抛物面镜(2)聚焦后与啁啾电子束b相互作用，经电子能谱仪(3)对啁啾电子束b的能谱及横向发散角分布进行诊断，其特征在于，包括下列步骤：
A.采用FROG或SPIDER测量啁啾脉冲激光a的光谱相位和光谱强度分布，得到啁啾脉冲激光a的中心频率ω0及啁啾参数b0；
B.建立诊断光路：啁啾脉冲激光a经延时器(1)，抛物面镜(2)聚焦后与啁啾电子束b相互作用，之后经横向调制的啁啾电子束b自由传输进入电子能谱仪(3)；
C.横向调制诊断：通过经延时器(1)调节改变啁啾脉冲激光a和啁啾电子束b之间的延时，记录电子能谱仪(3)上电子束经横向调制出现和结束对应延时器(1)的位置，取中间值进行实验，通过电子能谱仪(3)得到此时啁啾电子束b的横向调制α(pz)及其能谱pz；<...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志钧，周诗怡，刘建胜，余昌海，秦志勇，王健硕，焦旭辉，严春晖，曹玉腾，
申请(专利权)人：上海师范大学，
类型：发明
国别省市：上海;31