基于康普顿背散射的电子束无阻拦测量研究

High average power Free-Electron Lasers (HAP FELs) and Energy Recovery Linacs (ERLs) are considered as key topics of future particle accelerator. The electron beams of the both will be with high average power and will destroy any invasive measurement instrument. So the technologies of non-invasive beam diagnostics are research focus nowadays. The laser wire (LW) method, which has been applied in large colliders and dumping rings, is proved to be a non-invasive, high-resolution and high-speed sampling diagnostic technology. In this project, a new-type LW used in HAP FELs and ERLs is proposed. The research includes the following aspects: the establishment of the LW theoretical model; the study of Mega-Hertz repetition electron beam dynamics; the exploration for the LW impact on electron beam parameters; and a prototype LW experiment for the measurement of electron transverse and longitudinal beam size. The research will be an important technical reserve for future HAP FELs and ERLs.

高平均功率自由电子激光（Free-Electron Laser, FEL）和能量回收型直线加速器（Energy Recovery Linac，ERL）是加速器领域发展的重点方向，它们的电子束具有高平均功率的特点，易破坏阻拦型电子束测量装置，因此必须发展在线无阻拦的电子束测量技术。基于康普顿散射的激光丝（Laser Wire，LW）方法具有无阻拦、分辨率高和采样快等特点，已应用于大型对撞机和阻尼环的束团横向尺寸测量。本课题拟开展用于高平均功率FEL 和ERL 的新型LW 理论及初步实验研究，探索高亮度高重频电子束的有效探测方法。研究内容包括：建立LW 理论模型，开展MHz 重复频率电子束流动力学研究，探索LW对电子束参数的影响；设计并搭建实验系统，初步测量电子束横向尺寸，研究其测量电子束长度的方法，掌握LW关键技术。本项目研究成果将为亟待发展的高平均功率FEL 与ERL提供重要技术储备。

高平均功率自由电子激光（Free-Electron Laser, FEL）和能量回收型直线加速器（Energy Recovery Linac，ERL）是加速器领域发展的重点方向，它们的电子束具有高平均功率的特点，易破坏阻拦型电子束测量装置，因此必须发展在线无阻拦的电子束测量技术。基于康普顿散射的激光丝（Laser Wire，LW）方法具有无阻拦、分辨率高和采样快等特点，已应用于大型对撞机和阻尼环的束团横向尺寸测量。本课题研究目的是为亟待发展的高平均功率FEL 与ERL提供重要技术储备，开展了用于高平均功率FEL 和ERL 的新型LW 理论及初步实验研究，探索高亮度高重频电子束的有效探测方法。研究内容包括：建立LW 理论模型，开展MHz重复频率电子束流动力学研究，探索LW对电子束参数的影响；设计并搭建实验系统，初步测量电子束横向尺寸，研究其测量电子束长度的方法，掌握LW关键技术。在理论研究基础上，基于现有实验条件，搭建了一套用于光阴极直流高压电子枪出口处电子束测量的 LW初步实验系统，这也是首次将 LW 系统应用于如此低能段的电子束测量。为降低系统造价，课题组提出采用驱动激光分束的方法，利用驱动激光剩余功率对电子束进行测量。由于激光与电子束重复频率完全相同，因此可测量电子束的纵向尺寸。实验过程中，电子束产生的较强X射线和实验室较为复杂的电磁环境是实验最大的阻碍。分析了几种主要的噪声源，并对其中一些采取了措施，在优化激光与电子束参数后，在大300微安到500微安的出束状态下，通过改变激光光程差测量到电子束纵向分布半高宽约为6mm 的初步信号，该结果与Parmela模拟得到的电子束纵向较好符合较好。遗憾的是，实验室的驱动激光器由于放大晶体损坏，激光功率降低至不足额定值的四分之一，并且光束质量大幅下降，不能满足实验要求，未能进行相关实验以测得电子束横向分布。