Effect of nano-scale surface roughness on transverse energy spread from GaAs photocathodes
高的量子产额、低的横向能量扩展和快速的响应时间使得GaAs被激活到负电子亲和势，是高亮度光电注入器中光电阴极的理想候选者。即使经过几十年的研究，从GaAs的电子发射的确切机制没有得到很好的理解。我们发现，纳米级的表面粗糙度可以影响横向电子从GaAs扩散近一个数量级，并解释了迄今为止似乎有争议的实验结果。该模型还可以解释测量的横向能量扩展对入射光波长的依赖性。
2011-02-23 cond-mat.mtrl-sci physics.acc-ph
Pseudo Slice Energy Spread in Dynamics of Electron Beams Moving through Magnetic Bends
在以前的规范制定的束动力学的电子束移动超相对论通过磁弯曲系统，我们已经表明，束中的粒子的横向动力学方程有一个驱动项，其行为作为离心力所造成的粒子的初始势能，由于集体粒子的相互作用在束内。其结果是，在弯曲系统的入口处的初始势能，我们称之为伪（动能）的能量，是无法区分的，从通常的动能偏移的设计能量在其扰动粒子光学通过分散和动量压缩。在本文中，在确定这种离心力的颗粒作为残余的CSR取消效应在横向粒子动力学，本文说明了束流在弯曲轨道上运动的正则动量动力学方程与束流在直线轨道上运动的尾流场的Panofsky-Wenzel定理之间的关系，并指出赝能散的影响只有在高峰值时才能测量。当伪切片能量扩展与切片动能扩展相比是可感知的时，电流聚束。讨论了磁弯曲中赝切片能散对束团动力学的影响。
2014-01-13 physics.acc-ph
Demonstration of Low Emittance in the Cornell Energy Recovery Linac Injector Prototype
我们提出了一个详细的研究康奈尔能量恢复直线加速器的光电注入器，高亮度，高重复率（1.3 GHz）的直流光电发射源，旨在驱动硬X射线能量恢复直线加速器（ERL）所产生的电子束的六维相空间。建立了完整的喷油器仿真模型，并进行了试验验证和优化。水平和垂直的二维横向相空间，以及时间分辨（切片）的水平相空间，进行了模拟和直接测量的19 pC和77 pC聚束在大约8 MeV的注射器的末端。选择这些聚束电荷是因为如果以全1.3 GHz重复率操作，则它们对应于25 mA和100 mA的平均电流。对于19（77）pC/聚束，所得到的90%归一化横向发射度在水平平面中分别为0.23 +/-0.02（0.51 +/-0.04）微米，在垂直平面中分别为0.14 +/-0.01（0.29 +/-0.02）微米。这些发射度分别用2.1 +/- 0.1（3.0 +/- 0.2）ps的相应聚束长度测量。在每种情况下，均方根动量扩散被确定为1 e-3的数量级。测量和模拟之间的良好的整体协议已被证明。使用的发射度和聚束长度测量在19 pC/聚束，我们估计在1.3 GHz，5 GeV的硬X射线ERL的电子束质量至少是一个因素的20倍，优于现有的存储环时，每个设备的均方根能量扩展被认为是。这些结果代表了高亮度，高电流光电注入器领域的一个里程碑。
2013-07-23 physics.acc-ph
Accurate measurement of uncorrelated energy spread in electron beam
本文测量了欧洲X射线自由电子激光注入器截面上电荷为250 pC的电子束团的片能散。本文中考虑的两种方法是基于在横向偏转结构（TDS）后的色散部分的测量。第一种方法使用在不同的光束能量的测量。我们表明，适当的缩放的TDS电压与束能量的测量的均方根误差小于0.3 keV的能量扩展为6 keV。在第二种方法中，我们证明，保持光束能量恒定，但只调整光学，我们能够简化测量的复杂性，并降低均方根误差低于0.1千电子伏。测量的准确性证实了数值模拟，包括电子束传输效应和集体束动力学的电子束。在欧洲XFEL上测量的束流电荷为250 pC的切片能量分布比最近在瑞士自由电子激光上报道的相同阴极材料和束流电荷为200 pC的切片能量分布低近3倍。
2021-03-22 physics.acc-ph
Generation of High-Power, Tunable Terahertz Radiation from Laser Interaction with a Relativistic Electron Beam
本文提出了一种基于切片能量扩展调制的方法，在强流相对论电子束中产生强亚皮秒密度聚束。利用具有周期性强度包络的激光脉冲调制电子束的切片能散，经过色散后转换为密度调制。结果表明，激光调制产生的双喇叭片能量分布对提高电子束的密度聚束是非常有效的。由于调制是在相对论电子束上进行的，该过程不会受到强空间电荷力或相空间之间的耦合，因此可以直接保持光束质量以用于进一步的应用，例如太赫兹（THz）辐射和等离子体尾场的共振激发。我们在理论和模拟表明，从光束的可调谐辐射可以覆盖的频率范围为1-10太赫兹与高功率和窄带光谱。
2017-02-22 physics.acc-ph
Electron beam shaping via laser heater temporal shaping
主动纵向束流光学通过优化束流以产生多色脉冲、抑制焦散或支持阿秒激光，可以帮助自由电子激光设备实现尖端性能。随着下一代超导加速器的上线，有必要找到新的元素，既可以在高束流功率运行，并提供Mhz重复率的多路复用能力。激光加热器成形承诺通过在逐个拍摄的基础上赋予可编程的切片能量扩展来满足这两个标准。我们使用一个简单的动力学分析，以显示如何控制的切片能量扩散转化为控制的束流分布，然后我们提出了一个集合的开始到结束的模拟在LCLS-II，以说明该技术。
2021-06-09 physics.acc-ph
Colliding ionization injection in a beam driven plasma accelerator
通过二维粒子模拟研究了在束流驱动等离子体尾流中，由反向传播的激光脉冲触发电离注入产生高质量电子聚束的方案。它表明，使用这种技术获得的电子聚束可以有非常小的切片能量扩展，因为每个切片主要是由电子在同一时间电离。另一个显著的优点是注射距离是可变的。通过调节驱动光束的发射时间或改变激光焦点位置，获得了归一化发射度为3.3 nm、片能量扩展为15 keV、亮度为$7.2\times 10^{18}$ A m $^{-2}$ rad $^{-2}$的聚束。这使得该方案成为产生用于第五代光源的高质量电子聚束的有前途的方法。
2015-10-02 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Beam energy distribution influences on density modulation efficiency in seeded free-electron lasers
波荡器系统入口处的束流能散对高增益种子自由电子激光的有效密度调制至关重要。本文研究了高增益谐波产生（HGHG）、回波激励谐波产生（EEHG）和相位合并增强谐波产生（PEHG）方案中高次谐波微聚束效应与电子能散分布的关系。理论研究和多维数值模拟的情况下，均匀和鞍形光束的能量分布，并与传统的高斯分布。结果表明，均匀和鞍形电子能量分布显著提高了HGHG自由电子激光器的性能，而对EEHG和PEHG方案几乎没有影响。数值计算表明，在84 keV RMS均匀和/或鞍形片能散的条件下，软X射线自由电子激光装置的单级注入方案可以直接产生30次谐波辐射。
2014-12-31 physics.acc-ph
First measurement of energy diffusion in an electron beam due to quantum fluctuations in the undulator radiation
我们目前的测量切片能量扩散增长由于量子波动的波荡器辐射在欧洲X射线自由电子激光。该方法使用了最近安装的诊断尾场结构，这使得硬X射线波荡器后的纵向相空间的测量。首次测量了波荡器中的量子扩散效应，测量结果与理论预测符合得很好。
2022-08-15 physics.acc-ph
Longitudinal phase space diagnostics with a nonmovable corrugated passive wakefield streaker
本研究针对自由电子激光装置的时间分辨诊断需求，分析被动尾场条纹装置的切片能量分辨率及能量啁啾的影响，利用European XFEL的固定式波纹条纹相机实现了飞秒级时间、MeV级能量分辨率的纵向相空间测量。
2024-05-20 physics.acc-ph
Correlated Energy Spread Compensation in Multi-Stage Plasma-Based Accelerators
基于等离子体的加速器维持的极端电磁场允许超过100 GeV/m的能量增益率，但也是相关能量扩散的固有来源。这严重限制了这些设备的可用性。在这里，我们提出了一个新的紧凑的概念，通过结合等离子体加速阶段与磁弯道补偿诱导的能量相关。一个特定的1.5米长的设置与两个等离子体阶段的粒子在细胞和跟踪模拟表明，5.5 GeV的聚束与最终的相对能量扩展的$1.2\times10^{-3}$（总）和$5.5\times10^{-4}$（切片）可以实现，同时保持亚微米发射度。这至少比现有技术低一个数量级，并且为诸如自由电子激光的应用铺平了道路。
2018-11-19 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Coherent High-Harmonic Generation with Laser-Plasma Beams
本文研究利用主动能量压缩获得极低能散的激光等离子体加速器电子束，并通过激光调制使其在约100次谐波处产生稳定、可调谐的窄带相干辐射，为未来等离子体设施提供新能力。
2024-09-30 physics.acc-ph
Chromatic Dynamics of an Electron Beam in a Plasma Based Accelerator
本文对等离子体加速器中的见证光束的色动力学进行了理论研究。我们推导出单粒子运动的电子在离子柱内的非线性，井喷尾流包括绝热阻尼和绝热变化的等离子体密度。利用这一点，我们计算了电子束的束矩和发射度的演变。我们的模型可以处理近任意的纵向相空间分布。我们包括在光束中的能量变化的影响，不完美的尾流负载，初始横向偏移的光束，光束和等离子体之间的失配。我们使用我们的模型，推导出解析饱和长度的投影，纵向切片，和能量切片发射度在不同的光束加载条件下。此外，我们表明，质心振荡和光斑大小的切片之间的变化和变化强烈依赖于梁加载。接下来，我们将展示如何在一个完整的等离子体源的密度斜坡的光束演变，并显示沿斜坡的等离子体密度的积分确定对光束的影响。最后，我们推导出几个简单的比例律，显示如何设计一个等离子体为基础的注入器，以产生一个目标束的能量和能量扩散。
2021-11-03 physics.acc-ph physics.plasm-ph
High-power attosecond X-ray free-electron lasers: physics and design strategy
Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences（中国科学院上海应用物理研究所）；University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学）；European XFEL（欧洲XFEL）；Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY（德国电子同步加速器）；Shanghai Advanced Research Institute, Chinese Academy of Sciences（中国科学院上海高等研究院）
研究高功率阿秒X射线自由电子激光的物理机制与设计方法，探讨电子束特性对性能的影响，提供优化指南。
2026-09-22 physics.acc-ph
Ultra-Bright Electron Bunch Injection in a Plasma Wakefield Driven by a Superluminal Flying Focus Electron Beam
我们提出了一种新的方法，利用“飞焦”的驱动光束与能量啁啾产生的等离子体尾场结构中的井喷制度的高质量的电子束团的自注入。在飞行聚焦中，利用聚焦光学系统的色相关性，驱动聚束的密度质心的速度可以是超光速或亚光速的。我们首先推导出焦距和能量啁啾的焦斑的焦速度和特征长度。然后，我们使用多维粒子模拟证明，由电子束超光速传播飞行焦点驱动的尾流可以产生具有超低归一化切片发射度的GeV级电子束团（$\sim$ 30 nm rad），高电流（$\sim$ 17 kA），在密度为$\sim10^{19}$ cm $^{-3}$的等离子体中具有低的切片能量扩展（$\sim$ 0.1%）和因此高的归一化亮度（$>10^{19}$ A/rad $^2$ /m $^2$）。注入过程是高度可控和可调的，通过改变焦点速度和成形的驱动光束电流。FACET II的近期实验计划产生数十kA、<10 fs驱动器的能力，可能产生亮度接近$10^{20}$ A/rad $^2$ /m $^2$的光束。
2022-04-24 physics.acc-ph physics.plasm-ph
A fully plasma based electron injector for a linear collider or XFEL
本文提出一种全等离子体电子注入器方案，利用非匹配驱动束在非线性吹出区自聚焦引发自注入，通过PIC模拟证明可产生20 GeV以上、低能散、低发射度、高效率的高质量电子束，适用于未来线性对撞机或XFEL。
2024-06-07 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Self-Amplification of Coherent Energy Modulation in Seeded Free-Electron Lasers
用于物质时间分辨精细分析的光谱技术需要具有飞秒持续时间和高平均亮度的相干X射线辐射。种子自由电子激光（FEL）利用外部种子激光的频率上转换来提高时间相干性，是提供完全相干软X射线脉冲的理想选择。然而，由于目前最先进的激光系统的限制，很难以高重复率操作种子自由电子激光器。在这里，我们报告了一种新的自调制方法，用于增强激光诱导的能量调制，从而显着降低了对外部激光系统的要求。在此方案的驱动下，我们在实验上实现了种子自由电子激光器中的高次谐波产生。具有小至1.8倍切片能量扩展的激光诱导能量调制的电子束用于在单级高增益谐波产生（HGHG）设置中的266 nm种子激光器的第7谐波和在两级HGHG设置中的种子激光器的第30谐波处激射。这些结果标志着向高重复率、完全相干的X射线自由电子激光迈出了重要的一步。
2021-02-12 physics.acc-ph physics.optics
Self-enhanced coherent harmonic amplification in seeded free-electron lasers
提出基于自调制和超辐射的种子自由电子激光新方案，在MHz重复率下产生水窗范围内约2GW的飞秒软X射线脉冲，实验验证了高达15次谐波的自增强相干信号产生。
2023-06-29 physics.acc-ph physics.optics
