[发明专利]多功能飞秒电子束诊断仪

说明书

技术领域

本发明涉及飞秒电子束的诊断，特别是一种多功能飞秒电子束诊断仪，用于电子束长度、能谱和电量等指标的测量；它是利用相干衍射辐射导致的电子束偏转效应，结合传统电子能谱仪和多种定标方式，从而实现对飞秒电子束多指标同步测量，具有操作简单、方便高效、测量精度高、应用范围广的优点。

背景技术

近年来，传统电子加速领域的快速发展，如光阴极电子枪和电子束团长度压缩系统的不断改进，激光等离子体尾波场电子加速器的突破，电子束的长度都在向着飞秒量级进行迈进，飞秒量级的电子束将在科研领域，特别是自由电子激光器(FEL)等高尖端设备的研发方面发挥巨大的作用。于此同时，对电子束的诊断设备也提出了更高的要求。

传统加速装置上的电子束诊断仪，如条纹相机或者电光采样设备等，其分辨率都在百飞秒量级，无法实现飞秒量级的电子束长度诊断，而最新提出来的相干辐射测量技术(参见Thongbai，C.and H.Wiedemann，Review and analysis of autocorrelation electron bunch length measurements.Nuclear Instruments&Methods in Physics Research Section a-Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment，2006.568(2)：p.923-932)，也存在诸多问题，如无法实现单枪次测量、信息失真较为严重，此外这种测量技术还是对电子束的破坏性测量，即电子束要打在金属箔上，这就导致无法在测量电子束的能谱信息同时继续使用测量后的电子束。

2005年，A.Potylitsyn首次探讨了电子束在进行相干衍射辐射时存在的偏转效应，并对其进行了初步的理论推导和计算(参见Potylitsyn，A.，et al.，Coherent radiation recoil effect for the optical diffraction radiation beam size monitor at SLAC FFTB.Nuclear Instruments&Methods in Physics Research Section B-Beam Interactions with Materials and Atoms，2005.227(1-2)：p.170-174)；2007年Dao Xiang等在其进一步的理论计算的基础上，提出了利用该偏转效应对电子束长度进行测定的简单方案(参见Xiang，D.and W.-H.Huang，Ultrashort electron bunch length measurement with diffraction radiation deflector.Physical Review Special Topics-Accelerators and Beams，2007.10(1)：p.012801)，但是，该方案中不存在针对电子束其它指标的测量单元，而且更重要的是，方案中使用了传统电子加速器中的电子轨道测量系统(BPM)来对电子束的偏转情况进行测量，这样导致方案的成本和复杂性大为增加。

发明内容

本发明的目的是针对上述已有的电子束诊断设备在精度和操作性等方面的诸多限制，提出一种多功能飞秒电子束诊断仪，该仪器能对电子束的能谱、电量以及10fs甚至是飞秒量级的电子束长度进行准确测量，从而可以方便高效的实现对飞秒电子束的诊断，促进飞秒电子束源的使用和推广。

本发明的技术解决原理如下：

本发明的飞秒电子束长度测量部分所依据的原理是相干衍射辐射伴随的电子束偏转效应，如图1所示，当电子束4穿过与之成45°角放置的铜环1时，会分别在电子束的前进方向产生前向衍射辐射3和在垂直于前进方向上产生后向衍射辐射2，后向衍射辐射将在垂直方向上带走电子动量，根据动量守恒原理，电子会在与后向衍射辐射相反的方向产生偏转，形成偏转电子束5，其偏转角由后向衍射辐射的能量与电子束能量的比值所决定。

在非相干条件下，单个电子辐射的光子能量很低(10^-5eV量级)，但是在相干条件下，即电子束长度短于辐射波长时，每个电子辐射的光子能量要增加N倍(N为电子束的电量)，以1nC(纳库仑)的电量来说，每个电子辐射的能量将达到10⁵eV，即0.1MeV量级，这将对电子产生比较明显的偏转。由于相干衍射辐射的功率计算公式中包含有电子束包络的信息，所以在已知电子束能谱和电量的条件下，可以通过偏转角来反推电子束长度。