Ultrafast High Energy Electron Radiography for Electromagnetic Field Diagnosis
本文提出了一种基于超快高能电子照相的瞬变电磁场诊断新方法。对于传统的测量方法，物质的大散射会增加测量的不确定度，但我们的方法在这种情况下仍然有效。为了验证该方法的可行性，设计并优化了$ 50MeV $电子照相束线，并对$ 170T*μm $到$ \sim 600T*μm$范围内的圆形磁场进行了初步的模拟诊断。仿真结果表明，该方法可以实现场强的逐点测量。通过破坏入射光束的角对称性，也可以确定场的方向。结合电子束的优点，超快高能电子照相技术非常适合于瞬态电磁场的诊断。
2021-05-24 physics.acc-ph physics.app-ph
The microwave amplitude and phase setting based on event timing for the DCLS
针对DCLS双束线独立控制需求，基于事件定时系统升级EVG/EVR和LLRF，通过事件码与分频实现每条束线微波幅度相位独立设置，并经束流实验验证。
2023-10-24 physics.acc-ph
Study of effects of failure of beamline elements and their compensation in CW superconducting linac
Project-X是计划在美国费米实验室建造的高强度质子设施。X项目的第一级由超导直线加速器组成，该加速器将以连续波（CW）模式运行，以将束流从2.5 MeV加速到3 GeV。CW模式下的操作对射束线组件，特别是对射频（RF）腔体施加了高公差。由于束流参数与设计参数不同，束流线元在低能时的失效是非常关键的，因为它会导致束流与后续截面的不匹配。它使束流不稳定，导致发射度稀释，并最终导致束流损失。在最坏的情况下，它可能会影响机器的可靠性，并可能导致关闭直线加速器以更换故障元件。因此，研究这些效应及其补偿对实现直线加速器中束流的平稳传输具有重要意义。本文介绍了SSR 0段射频腔和螺线管失效的研究结果。
2012-03-07 physics.acc-ph
Nano-Diamond Thin Film Field Emitter Cartridge for Miniature High Gradient Radiofrequency $X$-band Electron Injector
完整的设计，制造和性能评估的一个紧凑的，单细胞，$X$波段（$\sim$ 9 GHz）的电子注入器的基础上的场发射阴极（FEC）。脉冲电子束由来自插入式薄膜氮结合的超纳米晶金刚石（N）UNCD FEC盒的数十千瓦射频（RF）磁控管信号产生。在配备有螺线管、法拉第杯和成像屏的束线中进行具有（N）UNCD FEC的$X$带注入器的测试。结果表明，通常（N）UNCD FEC盒在28 MV/m的表面电场下产生$\gtrsim$ 1 mA/cm $^2$。从4.4 mm直径（N）UNCD盒产生的输出光束的直径可以小到1 mm。就其实际应用而言，所演示的带有（N）UNCD插件FEC的$X$波段电子注入器可以作为X射线产生、材料处理、行波管（包括GHz和THz反向波振荡器），或者可以用于驱动慢波加速结构。结果还表明，这种场发射技术的基础上的平面（N）UNCD薄膜，这是简单地生长在表面上的光学抛光不锈钢，可以使大量的设备配置是有效的，灵活的设计，并可以轻松地封装。
2017-10-05 physics.acc-ph physics.app-ph physics.ins-det
Temporal magnification for streaked ultrafast electron diffraction and microscopy
现代电子散射仪器的前沿之一是提高时间分辨率，以便能够在其基本时间尺度上观察动力学现象。我们分析了如何射频腔可以被用作电子纵向透镜，以产生一个高度放大的时间复制的超快过程，并结合偏转腔，使条纹电子图像的光频现象。我们提出了开始到结束模拟的MeV电子束线的两个变化的这个想法（一个“放大镜”和“点投影”配置）显示的可行性，为电子探针，以实现Single Shot 1.4 fs（均方根）的时间分辨率。
2019-01-14 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
Ultrafast Electron Diffraction with MeV Electron Source from a Laser Wakefield Accelerator
本研究实验验证了基于激光尾场加速器与小型化永磁束线的MeV超快电子衍射装置，通过双弯消色差压缩和能量过滤，实现了约30飞秒束团长度及清晰的金样品衍射图样，为亚10飞秒时间分辨率的UED应用奠定基础。
2024-04-19 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
Virtual-Diagnostic-Based Time Stamping for Ultrafast Electron Diffraction
本研究在相对论性超快电子衍射束流线上应用无损虚拟诊断技术，利用独立测量的机器参数获取电子束到达时间与能量，以提升泵浦-探测扫描的时间分辨率，并证明基于线性回归的模型能准确预测长短期束流行为。
2023-02-09 physics.acc-ph
Femtosecond-Scale MeV-UED Beamline Using a Stand-Alone Multi-Cell RF Photogun
提出一种具有定制相速度分布的多腔射频光电枪，可直接产生5-15 fs rms的MeV电子束团而无需下游压缩，在降低系统复杂性和功耗的同时实现了与常规1.5腔光电枪相当的性能。
2025-08-12 physics.acc-ph
Multi-Dimensional Phase Space Manipulation for Attosecond Electron Bunch Compression
本研究提出一种基于THz驱动线性能量啁啾与多维相空间操控的阿秒电子束团压缩新方法，在MeV超快电子衍射束线中实现了高压缩比、低时间抖动的阿秒电子束，为超快科学及相关加速器应用提供了新途径。
2025-05-18 physics.acc-ph
Beam Characterization at the KAERI UED Beamline
韩国原子能研究所WCI中心的超快电子衍射光束线已成功投入使用。我们用四极扫描技术测量了束流发射度，用我们研制的新型测量系统测量了电荷。在四极扫描中，四极和屏幕之间的较大漂移距离是优选的，因为它给出了更好的薄透镜近似。然而，在空间电荷力的作用下，高束团电荷束在长漂移过程中会发生发射度增长。我们提出了一种方法，通过引入一个四极扫描与短漂移，而不使用薄透镜近似，减轻这种增长。该方法将四极杆等效为厚透镜，利用厚透镜方程求出发射度。除了精确之外，我们的方法可以很容易地应用，而不需要对光束线做任何改变，并且不需要大的漂移空间。对于电荷测量，我们已经开发了一个系统，包括在空气中的法拉第杯（FC）和一个电晶体。利用3.3 MeV电子进行的测试表明，该系统能够在10 fC灵敏度下测量脉冲持续时间为数十飞秒的聚束。
2016-10-07 physics.acc-ph physics.ins-det
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
Concept of a laser-plasma based electron source for sub-10 fs electron diffraction
本文提出了一种新的时间分辨小于10~fs的超快电子衍射电子源的概念。在激光等离子体加速器中产生电子，能够以kHz重复率以5 MeV的能量提供飞秒电子聚束。生产这种电子源的可能性证明使用粒子在细胞模拟。然后，我们使用粒子跟踪模拟表明，这种电子束可以在一个现实的束线传输和操纵，以达到适合电子衍射的参数。光束线由真实的静态磁光学组成，并且不引入时间抖动。数值计算表明，可以产生脉宽为5~fs、束团宽度为1.5~fC、横向相干长度超过2~nm的电子束团，满足电子衍射的要求。
2015-10-14 physics.acc-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
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
Direct measurement of sub-10 fs relativistic electron beams with ultralow emittance
通过将超快（$\sim$ 100 fs）激光脉冲紧密聚焦在1.6单元射频光注入器的阴极上，获得了每束具有$10^5$电子的超低发射度（$\leq20$ nm，归一化）电子束。利用小的初始纵向发射度，下游速度聚束腔被用来压缩束到$<10$ fs rms聚束长度。使用厚的高压偏转腔，这是非常适合测量超短的聚束时间进行测量，只要光束到达弹道纵向焦点在腔中心。
2017-03-10 physics.acc-ph
Terahertz-based attosecond metrology of relativistic electron beams
光子、电子及其相互作用是光子器件和超快科学现代仪器的核心[1-10]。如今，最高强度和亮度的电子束是通过短激光脉冲的光电发射产生的，然后使用GHz射频电磁场进行加速和操纵。电子束被用来直接映射光致动力学与超快电子散射技术，或进一步从事相干辐射生产在高达硬X射线波长[11-13]。然而，由于高功率射频场与光源同步的技术挑战，电子束和泵浦光脉冲之间的定时精度提高的努力已经停滞在几十飞秒的水平。在这里，我们展示了阿秒电子计量使用激光产生的单周期太赫兹辐射，这是本质上相位锁定的光学驱动脉冲，操纵多MeV的相对论电子束。在这一前所未有的水平上对明亮电子束的控制和单次表征为原子可视化开辟了许多新的机会。
2018-05-05 physics.acc-ph
Experimental verification of space-charge saturation scaling laws in high-gradient photocathode RF guns
本研究利用射频相位扫描技术定量表征了高梯度射频光注入器中的空间电荷饱和现象，实验验证了pancake束和cigar区的电荷-场标度律，为光注入器优化提供了预测性框架。
2025-11-03 physics.acc-ph
Acceleration of 60 MeV proton beams in the commissioning experiment of SULF-10 PW laser
本文报道了上海超强超快激光装置（SULF）10 PW激光光束线调试阶段的实验结果。在实验过程中，不进行最后一次放大，峰值功率达到2.4PW。将72 \pm 9 J的激光能量导向直径约为6 μm（FWHM）的焦斑，脉冲持续时间为30 fs，产生聚焦峰值强度约为2.0 \times 10^{21} W/cm ^2。首次用纯铜和塑料靶进行了激光质子加速实验。在靶厚为4 μm的情况下，利用靶法向鞘层加速（TNSA）获得了最大截止能量为62.5MeV的高能质子束流。对于几十纳米厚的塑料靶，质子截止能量约为20 MeV，呈环状或环状密度分布。这些实验结果反映了SULF-10 PW光束线的能力，例如，同时具有高强度和相对良好的光束对比度。这些关键参数的进一步优化正在进行中，预计10^{22}-10 ^<$23} W/cm ^2的峰值激光强度将支持极端场物理学的各种实验。
2022-07-15 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Attosecond two-color x-ray free-electron lasers with dual chirp-taper configuration and bunching inheritance
本研究提出一种基于双啁啾-锥形自由电子激光与群聚继承的阿秒双色X射线脉冲产生方法，可生成时间间隔数百阿秒至数飞秒、能量差数十电子伏的稳定脉冲对，为阿秒泵浦-探测等研究提供新途径。
2024-01-29 physics.acc-ph
Staged Laser Wakefield Acceleration for Saturated Lasing of Bandwidth-Tunable Free-Electron Lasers from EUV to X-ray
Tsinghua University（清华大学）；Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences（中国科学院高能物理研究所）；Beijing Academy of Quantum Information Science（北京量子信息科学研究院）；University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学）
本文提出一种分阶段激光等离子体加速方案，通过多阶段加速和双折弯束流线实现多模式操作，生成高能高质量电子束，支持从远紫外到X射线的带宽可调自由电子激光饱和。
2026-03-30 physics.acc-ph
High-throughput, high-brightness, ultrashort 90 keV electrons at 40 kHz
Max-Born-Institut（马克斯·玻恩研究所）；Doctor X Works；McGill University（麦吉尔大学）；Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）
本研究提出了一种40 kHz高通量高亮度90 keV电子源，通过直接电子检测实现了超快电子衍射中低电荷与高流率的平衡，显著提升了检测效率和应用范围。
2026-01-05 physics.acc-ph physics.app-ph physics.chem-ph
Two-dimensional beam compression for sub-femtosecond electron beam generation
Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences（中国科学院高能物理研究所）；Spallation Neutron Source Science Center（中国散裂中子源科学中心）
提出基于横向-纵向耦合的二维束团压缩方案，通过线性分析和粒子追踪验证，在消除纵向和能散贡献后，压缩束长由横向束质量和集体效应主导，模拟产生200 MeV、pC级、均方根时长0.45 fs的束团。
2026-08-12 physics.acc-ph
THz-Pump and X-Ray-Probe Sources Based on an Electron Linac
我们描述了一个紧凑的太赫兹泵和X射线探测光束线，基于电子直线加速器，超快时间分辨衍射应用。两个高能电子（$γ>50$）聚束，$5~$ ns分开，撞击在单箔或多箔辐射器上，并同时产生THz辐射和X射线。利用可调的THz脉冲光延迟，将第一束团的THz脉冲与第二束团的X射线光束同步。对于$200~$ pC良好优化的电子聚束，来自多箔辐射器的THz辐射的峰值功率估计为$0.14~$ GW。GEANT 4模拟显示，对于$25~$ MeV束，厚度为$0.5~-~1.0~$ mm的碳箔具有最高的$10~-~20~$ keV硬X射线产率，其在极角的几度内近似为$10^3$光子/（keV pC-电子）。具有$35$箔（每个$25~$ $μm~$厚）的碳多箔辐射器可以在$2^\circ$接受角内产生接近于$10^3$硬X射线/（keV pC电子）。利用$200~$ pC电荷和$100~$ Hz重复率，我们可以每秒产生每个$1~$ keV能量仓的$10^7$ X射线或每个脉冲每个$1~$ keV能量仓的$10^5$ X射线。X射线脉冲的纵向时间轮廓的范围从$400~-~600~$ fs取决于接收角。观察到X射线脉冲的发散效应使脉冲宽度展宽。双晶单色仪（DCM）将用于选择和传输所需的X射线到样品。由于电子束电流较低，电子束对辐射器的加热可以忽略不计。
2017-11-20 physics.acc-ph
