Beam shaping using an ultra-high vacuum multileaf collimator and emittance exchange beamline
我们报告了一个多叶准直器（MLC）的带电粒子束，独立驱动的钨条，可以选择性地散射不需要的粒子的基础上的发展。MLC与发射度交换束线结合使用，以快速产生高度可变的纵向聚束轮廓。开发的MLC由40个独立的叶片组成，叶片宽2 mm，最大可移动10 mm，并在超高真空环境中运行，通过磁耦合驱动等新功能实现。在阿贡韦克菲尔德加速器进行了一项实验，以测试功能，该加速器以前在发射度交换光束线之前使用不灵活的激光切割掩模进行光束整形。该实验证明了无数的横向掩模轮廓，如在MLC的闪烁体下游测量的，以及发射度交换后的相应纵向轮廓，如使用横向偏转腔测量的。在掩模形状之间的快速变化使得能够快速执行各种实验，而没有与传统方法相关的停机时间。MLC的许多自由度可以使用前馈控制和先进的机器学习方法来优化实验品质因数。
2022-10-05 physics.acc-ph
Ultimate bunch length and emittance performance of an MeV ultrafast electron diffraction apparatus with a DC gun and a multi-cavity SRF linac
提出了一种基于直流光电子枪和具有多个独立控制的加速和聚束腔的SRF直线加速器的高重复频率MeV能量超快电子衍射仪的设计。该设计是基于现有的康奈尔光电注入器，它可以很容易地应用到所提出的研究结果。使用粒子跟踪模拟结合多目标遗传算法优化，我们探索最小的束长度，发射度，和探针光斑尺寸可实现的。我们目前的结果为两个频闪条件（单电子每脉冲）和$10^5$电子/束，这可能是适合于单次拍摄衍射图像。在频闪的情况下，由多腔聚束和加速提供的灵活性允许纵向相空间线性化而无需更高次谐波场，从而在样品处提供亚fs聚束长度。鉴于低发射率光电发射条件下，这些小束长度可以保持与探针的横向尺寸在一微米尺度和以下。在每个脉冲$10^5$电子的情况下，我们模拟了最先进的5D亮度条件：均方根聚束长度为10 fs，归一化发射度为3 nm，同时现在允许重复频率高达1.3 GHz。最后，为了帮助设计新的基于SRF的UED机器，我们模拟了所使用的腔的数量和可实现的聚束长度和发射度之间的权衡。
2022-02-28 physics.acc-ph
Quasimonoenergetic and low emittance ion bunch generation from ultrathin targets by counterpropagating laser pulses of ultrarelativistic intensities
基于诱导非线性康普顿散射引起的粒子“反射”阈值现象，提出了一种利用两束反向传播的超相对论强度激光脉冲从纳米靶中产生准单能、低发射度固体密度快离子/核束团的新方法.特别是，被认为是一个设置，它提供了强子治疗所需的参数的离子束的生成。
2011-06-11 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Knife-edge based measurement of the 4D transverse phase space of electron beams with picometer-scale emittance
高亮度电子束的精确操纵需要粒子相空间形状和演化的详细知识。随着超快电子脉冲变得更亮，新的操作机制变得可用，发射度值在皮米范围内，对潜在的科学应用产生巨大影响。在这里，我们提出了一种新的表征方法，这样的光束和实验证明其重建的4D横向束矩阵的强关联电子束的能力与亚纳米发射度和亚微米光斑尺寸，在LBNL的HiRES光束线产生。我们的工作将超快电子加速器诊断的范围扩展到皮米范围的发射度值，为复杂的纳米级电子束操纵技术开辟了道路。
2019-03-29 physics.acc-ph
Possible operation of the European XFEL with ultra-low emittance beams
最近的成功激光的直线加速器相干光源（LCLS）在硬X射线制度和实验演示的可能性，以产生低电荷束与超小的归一化发射度导致的讨论乐观的情况下操作的欧洲XFEL。在本文中，我们考虑新的选择，利用低发射度的光束，相对较高的光束能量，可调间隙波动器，和多聚束的能力，这个设施。我们研究了在SASE模式下，在设计的光子能量范围为20-90 keV的自发辐射器（结合其中两个，U1和U2，在一个光束线）的操作的可能性，并表明，它成为可能与超低发射率的电子束类似的LCLS中产生的。作为一个额外的有吸引力的选择，我们认为强大的软X射线和真空紫外辐射的产生由相同的电子束泵探测实验，利用最近发明的紧凑的加力方案。我们还提出了一个电子感应加速器切换器作为一个简单的，廉价的，和强大的解决方案，SASE 1和SASE 2波荡器的多色操作，允许产生2至5个不同的独立颜色的X射线光束从每个这些波荡器同时多用户操作。我们描述了一个计划的泵浦探测实验，基于生产的两个不同的颜色由两个紧密间隔的电子束（产生在光电注入器）的帮助下，一个非常快的电子感应加速器开关。最后，我们将讨论如何没有重大修改的布局，欧洲XFEL可以成为一个独特的设施，不断覆盖强大的，相干辐射的一部分，从远红外线的电磁波谱的伽马射线。
2010-01-21 physics.acc-ph
Four-Dimensional Emittance Measurements of Ultrafast Electron Diffraction Optics Corrected Up to Sextupole Order
超快电子衍射（UED）是利用短脉冲电子束探测物质中远离平衡态的原子结构在飞秒尺度上演化的一种技术。作为加速器物理挑战，UED对探测电子束的亮度施加了严格的限制。UED中采用的低归一化发射度（通常在10 nm尺度及以下）对外加场像差和空间电荷效应特别敏感。像差的作用是越来越重要的小探头系统，往往具有多个数量级的光束尺寸在运输过程中的变化。在这项工作中，我们报告的校正正常四极，斜四极，和六极像差通过专用的校正元件在超快电子显微衍射光束线。要做到这一点，我们产生精确的4维相空间地图的射频压缩电子束，并找到良好的协议与无像差的空间电荷模拟。最后，我们讨论了探针形成孔径的作用，可以发挥在改善与可观的空间电荷效应的聚束的亮度。
2022-07-27 physics.acc-ph
A kiloelectron-volt ultrafast electron micro-diffraction apparatus using low emittance semiconductor photocathodes
本文设计并表征了一套千电子伏超快电子微衍射装置，利用近阈值驱动的低发射度半导体光电阴极实现微米探针、长相干长度与200 fs时间分辨率，并通过单晶Au超快加热实验验证其性能。
2022-02-02 physics.acc-ph
The Role of Low Intrinsic Emittance in Modern Photoinjector Brightness
降低光电阴极的本征发射度是提高电子源亮度最有希望的途径之一。然而，当发射度增长发生在射束传输期间（例如，由于空间电荷），这是可能的，该发射度增长的贡献的光阴极，因此，在这种情况下，源发射度的改善是没有好处的。利用多目标遗传优化方法，我们研究了本征发射度在确定几种空间电荷主导的光注入器的最终发射度中所起的作用，包括高重复频率自由电子激光和超快电子衍射。我们引入了一个新的度量来预测光阴极发射度改进的规模，这仍然是有益的，并解释了如何需要额外的调整，以充分利用新的光阴极技术。此外，我们确定的发射度增长的规模，由于点到点库仑相互作用与快速树为基础的空间电荷求解器。我们的研究结果表明，在现实的高亮度的光电注入器的应用研究中，热发射度的值低至50 pm/um（1 meV MTE）的减少仍然是一个可行的选择，为改善光束亮度。
2020-04-17 physics.acc-ph
Bunch evolution study in optimization of MeV ultrafast electron diffraction
兆电子伏超快电子衍射（UED）是一种很有前途的超快过程检测工具。衍射像的质量取决于探测束团的横向演化。本文采用椭球分布的平均场模型和粒子跟踪模拟，研究了MeV UED方案中发射度和空间电荷效应对束团演化的影响。小的横向尺寸的驱动激光器被发现是关键的，以提高倒数分辨率，利用更小的发射度和更大的横向聚束尺寸的螺线管之前。空间电荷效应引起的倒空间分辨率的降低应加以小心控制。
2014-01-07 physics.acc-ph
Photoinjector-generation of a flat electron beam with transverse emittance ratio of 100
直接从光电注入器产生扁平电子束是线性对撞机所设想的电子阻尼环的一种有吸引力的替代方案。它也有潜在的应用光源，如产生超短X射线脉冲或史密斯-珀塞尔自由电子激光。在这封信中，我们报告的实验生成的一个扁平的光束与测量的横向发射率比$100\pm 20.2$为一个聚束电荷的$\sim 0.5$ nC;较小的测量归一化均方根发射率是$\sim 0.4$ $μ$ m，并受到我们的实验装置的分辨率。实验数据，在费米实验室/NICADD光注入实验室获得的数值模拟和预期的标度律进行了比较。
2005-11-02 physics.acc-ph
Sources of Emittance in RF Photocathode Injectors: Intrinsic emittance, space charge forces due to non-uniformities, RF and solenoid effects
电子束技术的进步是创造当前一代x射线自由电子激光和超快电子显微镜的核心。这些曾经奇特的设备已成为基础研究和应用科学的重要工具。对于这两种仪器来说，一个重要的射束技术是电子源，对于许多这些仪器来说，电子源是光阴极枪。光阴极电子枪的发明以及在空间电荷和射频力存在下的发射度补偿和束匹配的概念使得这些高质量的束成为可能。实现更明亮的光束需要在光电发射和光束的初始加速期间对阴极附近的电子动力学进行更精细的分辨率观察。此外，高亮度光束对由枪场和磁透镜的光学像差引起的退化更敏感。本文讨论了这些主题，包括由于光电发射物理，空间电荷效应靠近阴极的光束特性，以及由RF和螺线管场引入的光学畸变。这些现象的解析关系推导和数值模拟相比。
2016-11-26 physics.acc-ph
Next Generation High Brightness Electron Beams From Ultra-High Field Cryogenic Radiofrequency Photocathode Sources
最近的射频（RF）铜腔在低温下工作的性能的研究表明，在最大可实现的表面电场显着增加。我们建议利用这一发展，使新一代的光电注入器在低温下工作，可以达到，通过增强发射场在光阴极，五维电子束亮度显着增加。我们提出了详细的研究与这样一个系统相关联的束流动力学，通过检查在250 MV/m的峰值电场，达到归一化发射率在40 nm-rad范围内的收费（100-200 pC）适用于在硬X射线自由电子激光（XFEL）的情况下使用的LCLS的基础上操作的S-波段的光电注入器。在这种情况下，我们表明，由开始到结束的模拟，该源的属性可能会引起高效率的操作的XFEL，并允许扩展的光子能量达到一个数量级，超过80千电子伏。这种XFEL所需的亮度是通过压缩后的低源发射度和高电流来实现的。在XFEL的例子分析，在最终的压缩过程中的发射度保留使用微聚束技术。极低的发射度的情况下获得的pC充电，适当的超快电子衍射和显微镜实验的时间分辨率限制显着扩展，也进行了审查。虽然在低温光注入器的亮度的增加主要是由于通过场增强的发射电流密度的增强，进一步可能增加的性能所产生的降低本征阴极发射度在低温操作进行了分析。实验实施中的问题，包括腔优化，以降低低温散热，外部耦合，和制冷机系统进行了讨论。
2018-12-30 physics.acc-ph
Towards the ultimate storage ring: the lattice design for Beijing Advanced Photon Source
北京先进光子源（BAPS）是一种用于储存5GeV低发射度电子束并提供高亮度相干辐射的储存环光源。在本文中，我们报告了我们的努力，推动发射度的BAPS接近所谓的最终储存环，而固定的周长约为1200米。为了解决超低发射度环中强非线性的束流动力学问题，在线性光学设计和非线性优化中采用了多种先进技术，如改进的理论最小发射度小孔径磁池、准三阶消色差透镜、基于李代数和哈密顿分析的理论分析器、多目标遗传算法、频率图分析。这些技术使我们能够获得满意的束流动力学在一个晶格设计的自然发射度为75 pm。
2013-05-05 physics.acc-ph
GeV muon beams with picometer-class emittance from electron-photon collisions
未来μ子对撞机的挑战之一是产生携带高相空间密度的μ子束。特别是μ子束归一化的横向发射度是一个相关的品质因数，以满足光度的要求。一个典型的问题，影响所取得的横向发射度的μ子对撞机计划迄今为止考虑的是相空间稀释所造成的库仑相互作用的初级粒子传播到目标产生μ子。在这项研究中，我们提出了一种通过电子束和光子束相互作用在真空中产生μ子束的新方案。将质心能量设置为阈值的大约两倍（即大约$350$ MeV），经由μ子对产生反应（$e^-+γ\rightarrow e^-+μ^+/μ^-$）产生的μ子束的归一化发射度在很大程度上与碰撞电子束的发射度无关，并且基本上由μ子对产生中的横向动量的过量来设置。在没有任何其他机制的发射度稀释，产生的μ子束，具有几十个GeV的范围内的能量，其特征在于由一个超低的归一化的横向均方根发射度为几纳米拉德，对应于一个几何发射度低于$10$ pm拉德。这开辟了一种新的μ子对撞机范例的基础上的μ子源的设想与初级碰撞光束提供的$100$ GeV级能量恢复直线加速器与硬X射线自由电子激光相互作用。挑战是实现所要求的μ子对撞机的亮度，采用低μ子通量/电流结合超低发射率的策略，从而大大降低μ子束诱导背景的水平。
2021-06-06 hep-ph physics.acc-ph
Cancellation of RF Coupler-Induced Emittance Due to Astigmatism
众所周知，超导直线加速器的RF耦合器引入的非对称场会降低诸如自由电子激光和超快电子衍射等应用所需的电子束质量。这种效应在注入器中特别麻烦，其中来自电子枪的低能束被捕获到第一高梯度加速器部分中。不幸的是，修改已建立的腔设计是昂贵且耗时的，特别是考虑到注射器仅需要一个或两个部分。相反，重要的是要分析耦合器场，以了解其特性，并帮助找到成本更低的解决方案，以消除和缓解它们。本文发现短束团的射频耦合器感生发射度主要是由于场的横向空间倾斜或倾斜，而不是场的时间依赖性。结果表明，耦合器的畸变效应可以取消与静态（DC）四极透镜绕z轴旋转。
2015-03-31 physics.acc-ph
Predicting the transverse emittance of space charge dominated beams using the phase advance scan technique and a fully connected neural network
带电粒子束的横向发射度是许多加速器应用的重要品质因数，例如超快电子衍射、自由电子激光和一般的新紧凑加速器概念的操作。确定横向发射度的最容易实现的方法之一是使用聚焦元件和屏幕的相位超前扫描方法。该方法已被证明在热状态下工作良好。然而，在空间电荷占主导地位的层流制度，该计划变得难以应用，因为缺乏一个封闭的描述束包络包括空间电荷的影响。此外，为了确保准确的结果，必须满足某些数学以及光束线设计标准。在这项工作中，我们表明，即使在不符合这些标准的设置中，也可以使用全连接神经网络（FCNN）来分析相位超前扫描数据。在模拟研究中，我们通过将其与基于波束包络方程的传统拟合例程进行比较来评估FCNN的性能。随后，我们使用预先训练的FCNN来评估测量的相位超前扫描数据，最终与数值模拟产生更好的一致性。为了解决确认偏差的问题，我们采用额外的基于掩模的发射度测量技术。
2022-05-23 physics.acc-ph
Cold electron beams from cryo-cooled, alkali antimonide photocathodes
在这封信中，我们报告的冷电子束的产生使用的Cs3Sb光阴极生长的Sb和Cs的共沉积。通过冷却的光阴极到90 K，我们证明了一个显着减少的平均横向能量验证长期存在的猜测，晶格温度的贡献限制了平均横向能量或热发射度附近的光电发射阈值，打开新的前沿，在产生超亮光束。在90 K，我们实现了一个记录低的热发射率为0.2 $μ$米（均方根）每毫米的激光光斑直径从超快（亚皮秒）光阴极的量子效率大于$7\times 10^{-5}$使用可见光激光波长为690 nm。
2015-04-22 physics.acc-ph
Nanometre-scale emittance beams from a continuous-wave RF gun
超快电子衍射仪（UED）和自由电子激光（FEL）的工作依赖于射频（RF）光阴极枪产生的高亮度电子束。下一代高重复率UED和FEL需要具有高平均亮度的电子束。为此，我们引入了一种具有类似APEX几何结构的325 MHz连续波RF光阴极枪。该电子枪允许产生具有非常高的峰值和平均5D亮度的电子束，同时具有适度的RF功耗。电子枪工作在井喷状态，能量增益为0.4 MeV，峰值阴极场为35 MV/m。通过大量的数值模拟，我们验证了枪操作的三种制度：（i）160 fC电子束与5 nm尺度的发射度的UED，（ii）1.6 pC光束与20 nm尺度的发射度的台式自由电子激光器和基于介质的加速器，和（iii）16 pC光束与50 nm尺度的发射度的逆康普顿源和其他基于加速器的光子源。我们介绍了一个简单的分析模型形成的虚阴极-发病的抑制光电流由于空间电荷力。该模型考虑了激光脉冲持续时间。此外，我们广泛的数值模拟表明，一个非常明显的最大值在5D光束亮度的激光光斑半径约150%，对应于虚阴极的发病。这一发现不支持文献中的常见方法，即在井喷状态下，激光光斑半径必须远大于对应于虚阴极起始的临界半径。
2021-05-17 physics.acc-ph
Mapping charge capture and acceleration in a plasma wakefield of a proton bunch using variable emittance electron beam injection
在AWAKE第一次实验运行的第二阶段（2018年5月至11月）中，使用电子束探测和测试铷等离子体柱中的质子驱动尾场加速。在这项工作中，我们分析了整体的电荷捕获和拍摄到拍摄的再现性质子驱动等离子体尾场加速器与各种电子束注入参数。见证电子束的产生使用的RF枪配备了Cs2Te光阴极照射的可剪裁的超快深紫外（UV）激光脉冲。UV束光学系统的构造使得能够适当的横向束成形和控制其脉冲持续时间、大小和在光阴极上的位置，以及相对于在质子束中播种等离子体尾场的电离激光脉冲的时间延迟。可变光电阴极照明提供了所需的灵活性，以产生具有可变电荷、发射度和注入等离子体柱的轨迹的电子聚束。我们证明了电荷捕获率超过15%（40 pC的GeV加速电荷为385 pC注入电子束）在优化的电子注入条件下。
2022-06-28 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Effects of Laser Pulse Heating of Copper Photocathodes on High-brightness Electron Beam Production at Blowout Regime
产生高亮度和高电荷（>100 pC）的电子聚束在井喷制度需要超短激光脉冲与高通量。本文分析了激光脉冲对铜光阴极的加热效应。电子和晶格温度采用改进的双温度模型计算，热发射率和量子效率采用扩展的Dowell-Schmerge模型计算。观察到随时间变化的热发射度和量子效率的增长。在一定的电荷量下，随着激光器半径的减小，激光器的热发射率也随之增大，在激光器熄灭区的优化设计中应考虑这一影响。此外，模拟了激光损伤阈值能量密度，表明最大局部能量密度应小于40 mJ/cm ^2，以防止对阴极的损伤。
2017-04-18 physics.acc-ph
Intrinsic emittance properties of an Fe-doped Beta-Ga2O3(010) photocathode: Ultracold electron emission at 300K and the polaron self-energy
University of Illinois Chicago（伊利诺伊大学芝加哥分校）；Kyma Technologies Inc.（Kyma科技有限公司）
研究铁掺杂β-氧化镓(010)光阴极在300K下的发射特性，发现超冷电子发射贡献，揭示极化子自能对费米共振发射的影响。
2026-04-08 cond-mat.mtrl-sci physics.acc-ph physics.app-ph
All-optical source size and emittance measurements of laser-accelerated electron beams
本文首次实验演示了利用激光尾波场加速器通过有质动力调制测量亚0.1 mm mrad级电子束发射度的全光学方法，并证明该方法在低信噪比下仍能给出严格的发射度上限。
2024-06-28 physics.acc-ph physics.optics physics.plasm-ph
Exact solutions to planar emittance growth problems
本文是第一个在一系列的基础上发展的发射度动态理论简单的统计推理。发射度是用于表征电子显微镜、光子源和粒子束质量的核心量。高强度带电粒子束中的发射度增长是一个特别具有挑战性的非平衡统计物理问题，其中诸如无序诱导加热和电荷重组等效应会导致发射度和束流质量的非常迅速的退化。自由能和熵的概念已被用来提高发射度动力学的概念理解。在这里，我们发展了一个理论的基础上的二阶累积量的粒子分布，并使用此配方，以准确地解决几个一维问题。这些解是超快电子显微镜中使用的煎饼束自由膨胀动力学现有结果的重要扩展，已知在短时间内随时间平方地膨胀[1-3]。在这里，我们表明严格平面扩展束团的平方发射度随时间的二次多项式而增加。我们比较理论的基础上的单个粒子的轨迹与理论的基础上的分布和扩展的基础上的单个粒子的轨迹，我们称之为“样本图片”的理论。我们后来的工作使用这个公式推导出广义包络方程，捕捉发射度增长的影响，在二维和三维系统。1. B. J. Siwick，J. R.德怀尔河E. Jordan和R. J. Dwayne Miller，Journal of应用物理92，1643（2002）. 2. B. W. Reed，Journal of应用物理100，034916（2006）. 3. B. Zerbe，X. Xiang，C.- Y. Ruan，S. Lund和P. Duxbury，Physical Review …
2020-05-31 physics.acc-ph physics.comp-ph
Quantum excitation-free radiation emission including multiple scattering
为了提高正负电子对撞机的亮度，需要找到一种减小束流相空间的方法。正电子在单晶中的横向冷却被认为是实现超冷束流的一条潜在途径。的问题的分析，包括评估的贡献，从多个散射过程中的通道。分析表明，在特殊情况下可以实现发射度的降低，但在一般情况下，发射度将增加作为多次散射的结果。
2003-06-09 physics.acc-ph
Compensating slice emittance growth in high brightness photoinjectors using sacrificial charge
本文提出利用束团自身形成波破激波前沿的牺牲电荷动态线性化核心相空间，并在UCXFEL注入器优化中实现发射度增长低于20 nm-rad、亮度提升约一个数量级。
2024-04-09 physics.acc-ph
CESR Test Accelerator
康奈尔电子储存环（CESR）于2008年被重新配置为测试加速器，以研究超低发射度阻尼环的物理学。在大约40天/年可用于专用操作作为一个测试加速器，专门的仪器被用来测量的增长和缓解的电子云，发射度增长由于电子云，束内散射，和离子，和单个和多聚束不稳定性产生的集体效应。CESR引导场光学的灵活性和加速器建模代码与控制系统的集成使得实验范围非常广泛。CesrTA关于电子云效应、发射度调谐技术和用于测量电子云、射束尺寸和射束位置的射束仪器的研究结果是ILC阻尼环设计的基础，如ILC技术设计报告所述。该计划使康奈尔大学集团能够培养出对最终工程设计和线性对撞机阻尼环调试至关重要的人才和专业知识。
2013-08-10 physics.acc-ph
Point-to-Point Coulomb Effects in High Brightness Photoelectron Beamlines for Ultrafast Electron Diffraction
为了提高超快电子衍射和显微镜的空间和时间分辨率，人们积极寻求超高亮度光电阴极来改善电子束质量。束流动力学代码通常近似库仑与平均场空间电荷的相互作用，这在传统束流中是一个很好的近似。然而，点对点库仑效应，如无序诱导加热和Boersch效应，不能忽略冷，密集的光束由这样的光阴极产生。在本文中，我们介绍了两种新的数值方法来计算的光阴极图像电荷的重要影响时，使用点对点的相互作用模型。利用精确的像电荷模型，计算了点到点相互作用对两条高亮度光电子谱线超快衍射的影响。第一束线使用200 keV电子枪，而第二束线使用5 MeV电子枪，每个电子枪都以$10^5$电子/脉冲的单发衍射方式工作。假设一个零的光电发射温度，它示出，包括随机库仑效应增加了这些光束线的最终发射度超过2的一个因素，并降低了峰值横向相空间密度超过3的一个因素相比，平均场模拟。然后，我们介绍了一种方法来计算的无序诱导加热释放的能量使用对关联函数。这种无序引起的加热能量被发现缩放非常接近静止超冷等离子体的理论结果，它占了一半以上的平均场模拟的发射度增长。
2021-04-15 physics.acc-ph
Theorems on Transverse-Longitudinal Coupling-Based Bunch Compression and Harmonic Generation Schemes
本文将基于横向-纵向耦合的束流操控方案的理论分析从4D相空间推广至6D相空间，证明了相关定理以支配束团压缩与高次谐波产生等场景。
2023-11-18 physics.acc-ph
A simple method for the determination of the structure of ultrashort relativistic electron bunches
本文提出了一种测量X射线自由电子激光（XFEL）中100个飞秒电子束团纵向轮廓的新方法。该方法只是两个众所周知的技术的组合，其中没有以前结合到我们的知识。我们使用种子10 ps 1047 nm量子激光产生超快电子束团的精确光学复制品。复制品是在由输入波荡器（能量调制器）和短输出波荡器（辐射器）组成的设备中产生的，该设备由色散部分隔开。输出波荡器中的辐射由在光学波长处调制的电子聚束激发，并迅速达到100 MW级的峰值功率。然后，我们使用超短激光脉冲形状测量的标准方法，自相关器和光谱的串联组合（FROG-频率分辨光学门控）。电子束团的光学复制品的FROG轨迹给出了准确和快速的电子束团形状测量的方式类似于飞秒示波器。电子束团结构的实时单次测量可以提供有关束团压缩器中产生超短电子束团的物理机制的重要信息。所提出的技术的最大优点是，它可以用来确定切片的能量传播和发射度在多炮测量。可以完整地测量聚束结构，即测量峰值电流、能量扩展和作为时间的函数的横向发射度。我们用数值例子说明了所提出的方法在欧洲X射线自由电子激光电子束诊断的潜力。
2004-07-15 physics.acc-ph
Beam dynamics challenges in linear colliders based on laser-plasma accelerators
在本文中，我们讨论了设计考虑和光束动力学的挑战与激光驱动的等离子体为基础的加速器应用于多TeV尺度的直线对撞机。等离子体加速器提供超高梯度和超短束团，为紧凑的直线加速器和降低的功率要求提供了潜力。我们表明，稳定，有效的加速与光束质量的保护是可能的，在非线性气泡制度的激光等离子体加速器，使用光束整形。离子运动，自然发生的密集束（即，低发射度和高能量）严重地抑制了横向束的不稳定性。库仑散射的背景离子被认为是在等离子体中的强聚焦强烈抑制散射引起的发射度的增长。束在等离子体中横向运动产生的β电子辐射将导致束功率损失和能量扩展增长;然而，对于100 nm以下的发射度，多TeV级等离子体直线加速器的束功率损失和能量扩展增长将低于%。
2022-03-14 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Non-invasive characterisation of a laser-driven positron beam
本文报道了一种间接的、非侵入性的方法，可以同时测量激光尾场加速电子束通过高Z转换靶时产生的超相对论正电子束的能量相关发射度和源尺寸。正电子的几何发射率与散射电子的几何发射率之间的强相关性使得通过监测散射电子可以高精度地推断出前者。该技术已被测试的原理验证实验中，对于100兆电子伏的正电子，我们推断几何发射度和源尺寸的顺序为$ε_{e^+} \approx$ 3 $μ$米和$D_{e^+} \approx$ 150 $μ$米，分别。这是一致的数值预测的可能性，实现子$μ$ m几何发射度和微米级的源尺寸在GeV的水平。
2020-02-23 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Ultra-High Brightness Electron Beams from Very-High Field Cryogenic Radio-frequency Photocathode Sources
由SLAC-UCLA合作进行的在低温下操作的RF铜结构的最新调查显示，最大表面电场显著增加到500 MV/m。我们研究使用这些领域，使非常高的领域低温光注入器，可以达到超过一个数量级的峰值电子束亮度增加。我们提出的束流动力学研究相关的X射线自由电子激光注入器，使用开始到结束的模拟，显示高亮度和低发射度的这个源，使操作的紧凑型自由电子激光达到光子能量为80千电子伏。讨论了利用微聚束技术在压缩过程中保持光束亮度的问题。虽然在高场亮度的增益是由于发射电流密度的增加，但由于低温操作中固有阴极发射度的降低，亮度的进一步增加也是可能的。虽然这种类型的低温超高场光电注入器的最初建议强调S波段设计，但在C波段工作可能会带来许多潜在的优点。我们研究的问题，在C波段的实验实施，以及这种类型的设备在未来的硬X射线自由电子激光，如MaRIE的预期性能。
2018-01-21 physics.acc-ph
Generation of High Brightness Electron Beams via Ionization Induced Injection by Transverse Colliding Lasers in a Beam-Driven Plasma Wakefield Accelerator
采用三维粒子模拟方法研究了在束流驱动等离子体尾流中，利用两束横向碰撞的激光脉冲触发电离注入产生超亮电子束团的过程.相对低强度的激光沿着尾流轴偏振，并且在非常短的时间内与尾流重叠。其结果是，电离电子在尾流横截面中的剩余动量大大减少，并且注入沿尾流的传播轴局部化。这最小化了初始的“热”发射度和由于横向相混合引起的发射度增长。三维PIC模拟结果表明，在实际参数下，可以得到超短（约8 fs）强流（0.4 kA）电子束团，其两个平面的归一化发射度分别为8.5和6 nm，亮度大于1.7* 10 e19 A rad-2 m-2。
2013-01-14 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Studies of the beam-ion instability and its mitigation with feedback system
在电子加速器中，束流与离子的相互作用是束流性能的一个潜在限制，特别是在未来超低发射度光源中，束流发射度是一个非常重要的问题。传统上认为，由于束离子相互作用而引起的束流不稳定性主要由两种效应引起：离子俘获效应和快离子效应，这两种效应强调的是不同时间尺度下的束离子动力学。然而，在加速器中，束流遭受离子捕获效应和快离子效应的混合，导致更复杂的过程，并且需要自洽处理。为了评价束流特性，即束离子效应影响下的发射度增长，建立了一个基于“准强-强”模型的数值模拟程序，包括电离、束离子相互作用、同步辐射阻尼、量子激发、逐束团反馈等模块。而是更一般和一致地处理束-离子相互作用。以北京正在建设的衍射极限环高能光子源的晶格为例，说明了束离子效应。结果表明，在该低发射度环中，束-离子不稳定性在高束流操作模式下不是主要机制，但在低束流操作模式下严重。当束-离子不稳定性被显著驱动且同步辐射阻尼不能抑制时，采用基于有限脉冲响应滤波技术的逐束团反馈系统可以有效地抑制束-离子不稳定性。
2019-11-14 physics.acc-ph
GeV-level $γ$-ray and positron beams produced by collisions of ultra-intense ultra-short laser on high-energy electron beam
该研究基于SHINE装置的100 PW激光与8 GeV电子束碰撞，通过粒子模拟提出产生GeV级γ射线和正电子束的方案，明确关键物理过程并获得高能量、亮度和低发射度的束流，可服务于多领域应用。
2025-04-18 nucl-ex physics.acc-ph
Measurements and modelling of stray magnetic fields and the simulation of their impact on the Compact Linear Collider at 380 GeV
紧凑型直线对撞机（CLIC）的目标是在碰撞点处的纳米光束大小。实现这种光束尺寸需要超低发射率光束的产生和传输。动态缺陷可以偏转碰撞光束，导致具有相对偏移的碰撞。它们还可以降低每个光束的发射度。这两种效应都会显著影响CLIC的亮度。在本文中，我们研究了一个新考虑的动态缺陷：杂散磁场。测量杂散磁场在大型强子对撞机隧道，并用于开发一个统计模型，可用于真实地产生杂散磁场的模拟。该模型被用于集成模拟CLIC在380 GeV，包括缓解系统的杂散磁场，以评估其对光度的影响。
2020-12-11 physics.acc-ph
Phase Space Dynamics of Ionization Injection in Plasma Based Accelerators
采用理论和粒子模拟方法研究了等离子体尾流场中电离诱导注入过程中束流相空间的演化。注入过程导致特殊的纵向和横向相位混合，导致最初的快速发射度增长，然后振荡，衰减，并最终缓慢增长到饱和。这种演变的分析理论，包括注入距离（时间），加速距离，尾场结构，和非线性空间电荷力的影响。在低和高空间电荷制度的发射度的公式。通过PIC模拟验证了理论，并获得了良好的协议。这项工作显示了如何超低发射率光束可以使用电离诱导注入产生。
2013-06-18 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Witness electron beam injection using an active plasma lens for a proton beam-driven plasma wakefield accelerator
有源等离子体透镜使用由通过等离子体的放电电流产生的磁场同时在水平和垂直平面上聚焦射束。使用100 T/m数量级的聚焦梯度，可以在短距离内获得5- 10 $μ$ m的光束尺寸。因此，有源等离子体透镜是用于等离子体尾场加速的有吸引力的元件，因为需要极小尺寸的见证电子束注入到等离子体尾场中以最小化发射度增长并提高捕获效率。当驱动电子束和见证电子束共同传播通过有源等离子体透镜时，必须考虑驱动电子束和见证电子束与等离子体之间的相互作用。在本文中，通过粒子模拟，我们讨论了使用主动等离子体透镜的电子束的最终聚焦的AWAKE运行2实验的可能性。证实了质子束团激发的等离子体尾波场的振幅即使在通过有源等离子体透镜后也保持不变。在透镜的等离子体密度斜坡区，见证电子束的发射度迅速增加。然而，当见证电子束具有100 pC的电荷、10 mm mrad的发射度和60 $μ$ m的聚束长度时，其发射度沿有源等离子体透镜的增长并不显著。对于小的发射度，如2毫米毫拉德，发射度的增长被发现是强烈依赖于RMS束的大小，等离子体密度，和多重库仑散射。
2021-12-10 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Compact ultracold electron source based on a grating magneto optical trap
超快和超冷电子源，基于激光冷却和捕获原子气体的近阈值光电离，提供了低横向束流发射度和高聚束电荷的独特组合。然而，由于需要冷原子激光冷却技术，它的使用仍然受到限制。本文提出了一种基于光栅磁光阱（GMOT）的超冷电子源，它只需要一束激光通过透明的加速器模块。这使得这项技术更容易获得，并增加了其适用性。我们表明，GMOT可以操作与孔在中心的光栅和大的电场施加在整个捕获区域，这是提取电子聚束所需的。所施加的电场的计算值被认为是同意以及与测量的激光冷却过渡的斯塔克位移。从GMOT提取的电子束的特点。使用飞行时间方法测量高达10千电子伏的束能量。使用腰部扫描方法确定归一化的均方根横向束流发射度，得到$ε= 1.9 \rm{nm}$。电离体积的均方根横向尺寸为$30 μ\rm{m}$或更大，这意味着电子源温度在几-10 K范围内，基于来自固态表面的光电发射或电子发射，比常规电子源低$2-3$数量级。
2019-01-21 physics.acc-ph physics.atom-ph
Comparison study on first bunch compressor schemes by conventional and double C-chicane for MaRIE XFEL
我们报告了我们的比较研究的第一阶段电子束压缩计划在750 MeV的X射线自由电子激光（XFEL）正在开发中的物质辐射相互作用在极端（MARIE）项目在洛斯阿拉莫斯国家实验室使用传统的和双C-弯道。与传统的C-回旋束压缩器相比，双C-回旋方案利用相干同步辐射（CSR）在第二个C-回旋中产生的横向动量位移来补偿第一个C-回旋中产生的横向动量位移，从而使压缩后的电子束具有最小的横向动量.研究还发现，双C-曲线方案可以被设计成在聚束压缩过程中更好地保持束流发射度。这对于MaRIE XFEL特别有利，其激光性能关键取决于超低束流发射度的保持。
2022-09-20 physics.acc-ph
Present status of development of damping ring extraction kicker system for CLIC
CLIC阻尼环将产生超低发射度束流，具有高聚束电荷，这是对撞机亮度性能所必需的。为了限制由于振荡引起的束流发射度放大，阻尼环冲击器的脉冲功率调制器必须提供极其平坦的高压脉冲：规格要求持续时间为160 ns，平顶电压为12.5 kV，250 A，纹波和压降的组合不超过\pm 0.02%。带状线设计也极具挑战性：阻尼环反冲器系统的场必须在1 mm半径上均匀到\pm 0.01%以内，并且需要低射束耦合阻抗。固态调制器，电感加法器，是一种非常有前途的方法，以满足现场脉冲纹波和下垂的要求。本文介绍了电感加法器和冲击器系统中带状线的初步设计。
2012-02-29 physics.acc-ph
Beam Dynamics in Dielectric Laser Acceleration
讨论了介质激光加速（DLA）中束流动力学的最新发展和挑战，包括高能和低能电子束。从超低发射率纳米尖源开始，本文遵循一个试探性的DLA光源概念的光束路径。在交替相位聚焦（APF）和空间谐波有质动力聚焦的框架下，讨论了与聚焦相伴的加速度。最后，本文展望了基于倾斜DLA光栅结构的激光驱动纳米光子波荡器的光束动力学。
2022-01-24 physics.acc-ph
Narrow bandwidth, low-emittance positron beams from a laser-wakefield accelerator
本文实验演示了具备窄带宽、低发射度和飞秒时长的激光驱动超相对论正电子源，并通过模拟证明其可注入并加速于等离子体尾波场。
2023-07-11 physics.acc-ph physics.plasm-ph
A Field-Enhanced Conduction-Cooled Superconducting Cavity for High-Repetition-Rate Ultrafast Electron Bunch Generation
高重复率亮电子束团源有着广泛的应用。它们可以直接用作电子散射装置中的探针，或者用作在宽范围的电磁波谱上产生辐射的骨干。本文描述了一种小型亚兆电子伏（sub-MeV）电子源装置的研制，该装置能够在MHz重复频率下工作，形成横向发射度小于20 nm的亚皮秒电子聚束。该装置依赖于传导冷却的超导单电池谐振器，其几何形状被改变以增强发射器表面的场。该系统的设计，以适应冷却使用模型a $2$~W在4.2 K脉冲管无制冷剂制冷机。虽然我们专注于光发射电子束的情况下，该计划可以适应其他发射机制。
2020-12-24 physics.acc-ph
Empirical comparison of high gradient achievement for different metals in DC and pulsed mode
瑞士自由电子激光项目正在研制一种先进的高梯度低发射度电子枪。在存在UV激光束的情况下，在电场（优选在4 mm间隙处高于125 MV/m）下的可靠操作必须在二极管配置中实现，以便最小化由于空间电荷效应引起的发射度稀释。在第一阶段，使用直流击穿测试台在高达100 kV的电压下测试不同制备方法的不同金属。此外，还进行了几天的高梯度稳定性测试，以证明可靠的无火花运行和最小的暗电流。在第二阶段，电极与选定的材料被安装在250 ns的FWHM，500千伏电子枪和测试高梯度击穿和量子效率使用紫外激光。
2010-08-04 physics.acc-ph
Multi-objective Optimizations of a Normal Conducting RF Gun Based Ultra Fast Electron Diffraction Beamline
我们提出了一个潜在的Single Shot超快电子衍射束线的多目标遗传算法优化的结果，利用100 MV/m的1.6细胞正常传导射频（NCRF）枪，以及9细胞2 π/3聚束腔之间的两个二极管。作为一个功能的横向投影发射度的优化提出并讨论了在电荷饱和极限导出的标度律。此外，优化的横向相干长度作为最终的均方根聚束长度在样品位置的函数已被执行为1e6电子的电荷。分析的解决方案进行了讨论，是无序诱导加热的影响。特别地，对于$10^6$电子的电荷和大于或等于25微米的最终束尺寸，我们发现对于大约5、30和100 fs的最终聚束长度，相对相干长度分别为0.07、0.1和0.2 nm/微米。这些结果表明，在超快电子衍射光束线的设计和操作中使用遗传算法的可行性。
2016-04-13 physics.acc-ph
Low-impedance stripline kicker for the transverse instability suppression system of the synchrotron radiation facility "SKIF" light source
针对第四代同步辐射光源SKIF的逐束团横向反馈需求，本文设计并分析了一种兼顾制造性、冲击均匀性与低阻抗的带状线冲击器，且其长度可兼作束流位置监测器。
2025-10-20 physics.acc-ph
Imaging nanoscale spatial modulation of a relativistic electron beam with a MeV ultrafast electron microscope
基于加速器的MeV超快电子显微镜（MUEM）被认为是研究纳米空间尺度和皮秒时间尺度结构动力学的一种有前途的工具。在这里，我们报告的实验测试的原型MUEM高品质的图像与纳米级的精细结构记录与脉冲3兆电子伏皮秒电子束。在单激发模式下操作的MUEM的时间和空间分辨率为约4 ps（FWHM）和100 nm（FWHM），对应于4 e-19 s*m的时间-空间分辨率，比用现有技术的单激发keV UEM实现的时间-空间分辨率高约2个数量级。使用该仪器，我们提供了可视化的纳米级周期性的空间调制的电子束，这可能会被转换成纵向密度调制通过发射度交换，使生产高功率相干辐射在短波长的演示。我们的研究结果标志着朝着单次发射纳米分辨率MUEM和紧凑的强X射线源迈出了一大步，这些X射线源可能在许多科学领域中具有广泛的应用。
2018-03-15 physics.acc-ph
Multi-objective Optimizations of a Novel Cryo-cooled DC Gun Based Ultra Fast Electron Diffraction Beamline
我们提出了一个潜在的Single Shot超快电子衍射光束线的多目标遗传算法优化的结果，利用一个新的低温冷却的光阴极系统和聚束腔的225 kV直流电子枪。作为一个功能的横向投影发射度的优化提出并讨论了在电荷饱和极限导出的标度律。此外，优化的横向相干长度作为最终均方根聚束长度在样品位置的函数已被执行为三个不同的样品半径：50，100，200微米，两个最终聚束电荷：100 k和1000 k电子。分析的解决方案进行了讨论，是无序诱导加热的影响。特别地，对于100 k电子的最终聚束电荷和大约100 fs的最终rms聚束长度，获得了0.27nm/微米的每rms光斑尺寸的相干长度。对于1000 k电子的最终电荷，低温枪对于100-200 fs的rms聚束长度和50微米的最终光斑尺寸产生0.1 nm/微米的每rms光斑尺寸的相干长度。这些结果表明，在超快电子衍射光束线的设计和操作中使用遗传算法的可行性。
2015-10-27 physics.acc-ph
Numerical calculations of a high brilliance synchrotron source and on issues with characterizing strong radiation damping effects in non-linear Thomson/Compton backscattering experiments
大量的理论计算研究了辐射反作用力对强场反向传播电子束-激光相互作用中辐射分布的影响，但是这些影响--包括量子校正--是否能在与真实的聚束和聚焦场的相互作用中观察到，正如许多即将提出的实验所希望的那样？我们提出了数值计算的角度分辨辐射光谱的电子束团的参数类似于激光尾场加速实验中产生的，与强烈的，超短激光脉冲相互作用。对于我们的参数，辐射阻尼对\emph{photons}的角分布和能量分布的影响是不容易辨别的一个"现实的"中等发射度电子束。然而，使用这种反向传播的光束-激光器几何形状的实验应该能够通过测量\emph{electron beam}性质来测量使用当前激光系统的这种效应。此外，该源的亮度非常高，峰值光谱亮度超过$10^{29}$光子$\,$ s $^{-1}$ mm $^{-2}$ mrad $^{-2}(0.1$ %带宽$)^{-1}$，效率约为2%，峰值能量为10 MeV。
2012-04-24 physics.acc-ph physics.optics physics.plasm-ph
The impact of fill patterns on the fast ion instability in the ILC damping ring
真空管中的残余气体分子与循环电子束碰撞电离产生的离子对电子束的特性有不利影响，可能成为限制机器性能的因素。对于国际直线对撞机（ILC）电子阻尼环，由于束流发射度束流发射度极低，且多束团运行，离子不稳定性是一个值得注意的问题。本文研究了不同的束流填充方式，并讨论了它们对快离子不稳定性的影响。模拟结果表明，小训练填充模式可以显着降低快离子不稳定性的增长。
2012-05-31 physics.acc-ph
Simulation of Deflection and Photon Emission of Ultra-Relativistic Electrons and Positrons in a Quasi-Mosaic Bent Silicon Crystal
本研究利用MBN Explorer的相对论分子动力学模块，首次模拟了855 MeV正电子束穿过准马赛克弯曲硅(111)晶体的偏转与辐射特性，对比电子束的实验数据验证方法，预测二者角分布与辐射谱存在显著差异。
2023-12-15 physics.acc-ph physics.atom-ph
Electron Beam Ion Sources
电子束离子源（EBIS）是基于电子碰撞电离原理工作的离子源，允许产生非常高电荷的离子。产生的离子可以作为DC离子束以及不同时间结构的离子脉冲提取。与大多数其它已知的离子源相比，EBIS的特征在于具有非常好的束流发射度和低能量扩散的离子束。此外，EBIS是来自高电荷离子的光子（X射线、紫外线、极紫外线、可见光）的极好来源。本章概述了EBIS的物理原理、工作原理和已知的技术解决方案。通过实例，讨论了EBIS的性能及其在基础研究、技术和医学等各个领域的应用。
2014-10-29 physics.acc-ph
Permanent Magnet Electron Optics for Low Energy Electron Systems: The Art of Extraordinary Performance from Ordinary Components
Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）；Pulsar Physics（脉冲星物理）
本文提出基于轴向磁化永磁体的低能电子光学设计，实现短焦距（~5 mm）和优于1 nm-rad的发射度保持，并通过补偿技术提升性能，适用于超快电子衍射装置。
2026-05-28 physics.acc-ph physics.app-ph physics.atom-ph
