Demonstration of Cathode Emittance Dominated High Bunch Charge Beams in a DC gun-based Photoinjector
我们提出的结果的横向发射度和纵向电流分布测量的高聚束电荷（大于或等于100 pC）在DC枪为基础的康奈尔能量恢复直线加速器光注入器产生的光束。特别是，我们表明，阴极热和核心束流发射度占主导地位的最终95%和核心发射度测量在9-9.5兆电子伏。此外，我们展示了优化的3D空间电荷模拟和测量之间的良好协议，并表明横向激光分布的质量限制了最佳的模拟和测量的发射度。这些结果，以前认为只有用RF枪才能实现，表明基于DC枪的光注入器能够提供具有足够的单聚束电荷和光束质量的光束，适用于许多当前和下一代加速器项目，例如能量恢复直线加速器（ERL）和自由电子激光（FEL）。
2015-01-16 physics.acc-ph
Beam Halo Formation via Longitudinal-Transverse Coupling in Continuous-Wave Photoinjectors
本文针对连续波光注入器中束晕形成问题，提出并实验验证了一种由纵向-横向耦合驱动的三步机制，并通过聚束器压缩调节实现束晕抑制，为高重复频率FEL稳定运行提供支持。
2025-11-08 physics.acc-ph
A Masked Photocathode in a Photoinjector
本文提出了一种用于产生高亮度电子束的掩模光阴极。代替将光阴极安装在电极上，使用具有小孔的电极作为掩模以将光阴极与加速真空室屏蔽。使用这样的掩模光阴极将通过将电极后面的光阴极旋转到孔中而使光阴极材料的更换变得容易。此外，这有助于减少来自光阴极材料的暗电流或次级电子发射。掩模光阴极还提供对高斯激光束的横向截止，其减少来自非线性空间电荷效应的电子束流发射度增长。
2011-02-02 physics.acc-ph
Experiment and simulations of sub-ps electron bunch train generation at Fermilab photoinjectors
最近，在费米实验室A0光电注入器上，利用横向-纵向相空间交换光束线，实验上实现了亚皮秒时间结构的电子束团串的产生。束团训练的时间分布可以很容易地调节，以满足现代加速器束流应用的要求。在本文中，我们报告的A0束流列车实验，并探讨了这种技术的可能扩展到更短的时间尺度在费米实验室SRF加速器测试设施，超导线性电子加速器目前正在建设中的NML大楼。
2012-01-27 physics.acc-ph
Upgrades of beam diagnostics in support of emittance-exchange experiments at the Fermilab A0 photoinjector
利用电子束相空间操纵来支持自由电子激光加速器设计优化的可能性激发了我们的研究。一个正在进行的计划，展示了在费米实验室A0的光电注入器的横向水平和纵向发射度的交换，最近受益于几个关键的诊断站的升级。需要对交换器束线上游和下游的这些性质进行精确测量。将描述通过使用垂直于光束方向的YAG：Ce单晶来改善屏幕分辨率项和减少光学系统的焦深的影响。在光谱仪中测量小能量扩散（<10 keV）的要求和导致束团长度小于500 fs的交换过程也导致了其他诊断性能的调整和升级。还报道了一个纵向到横向交换的例子。
2012-08-09 physics.acc-ph
Experimental study of coherent synchrotron radiation in the emittance exchange line at the A0-photoinjector
下一代加速器将需要高电流、低发射度、低能量扩散的束流。这种加速器将采用先进的束流调节系统，如发射度交换器来操纵高亮度束流。费米实验室A0光注入器的目标之一是研究横向到纵向发射度交换原理。相干同步辐射会限制发射度交换器的高电流操作。本文报道了在A0光注入器上对发射度交换线相干同步辐射（CSR）的初步实验和模拟研究。
2012-02-09 physics.acc-ph
Many-Objective Beam Dynamics Optimization for High-Repetition-Rate XFEL Photoinjector
SHINE是我国第一台硬X射线自由电子激光（FEL）装置，旨在提供高重复频率下的高亮度FEL激光输出。为了驱动高质量的X射线自由电子激光脉冲，采用了光电注入器部分，以提供具有低横向发射度和高亮度的指定电子束。在注入器束流动力学设计中，通常采用多目标优化算法。本文首次将多目标优化算法NSGA-III引入到注入器的物理设计中，对注入器的4个光束质量特性进行了优化。给出了优化结果并进行了分析。NSGA-III的应用可以为进一步的物理研究提供指导，并提高束流动力学优化效率。
2021-05-27 physics.acc-ph
Micro-bunching for generating tunable narrow-band THz radiation at the FAST photoinjector
本文介绍了费米实验室FAST（Fermilab Accelerator Science and Technology）电子注入器中使用狭缝掩模产生的微聚束电子束发射的THz辐射谱。我们的目的是在传统的光注入器中用一个简单的方案产生可调谐的窄带太赫兹辐射。在弯道处使用狭缝掩模，通过在具有水平色散的位置处横向切割能量啁啾的电子聚束，在弯道后产生纵向微聚束。本文讨论了微聚束结构、束流光学、微聚束的模拟结果和聚束因子的相关理论。计算并比较了相干跃迁辐射和摇摆器两种辐射源在太赫兹频率下的辐射能量。我们还讨论了一个简单的方法来观察微聚束上的横向屏幕监视器使用的斜四极放置在弯道的结果。
2018-11-12 physics.acc-ph
A Polarized Electron RF Photoinjector Using the Plane-Wave-Transformer (PWT) Design
极化电子束现已在核物理和高能物理实验的粒子加速器中得到常规应用。这些光束目前产生的直流偏置光电子源结合射频斩波和聚束系统具有固有的高横向发射度。低发射率可以用射频枪产生，但真空环境到目前为止被认为太苛刻，不支持负电子亲和势GaAs光阴极。我们建议通过调整PWT射频光注入器来显著改善真空条件，以实现合理的阴极发射率和寿命。这种适应性也可以与特殊的光学器件相结合，这将导致在窄尺寸的归一化均方根发射度，可以低至10-8米的平光束。
2002-05-03 physics.acc-ph
Photoinjector Generation of High-Charge Magnetized Beams for Electron-Cooling Applications
电子冷却提供了一个相对简单的方案，使未来的电子-离子和强子对撞机的高光度碰撞。预期的TeV能量强子对撞机需要具有特定横向本征发射度分区的相对论性（低于100 MeV）高电荷[ ${\cal O}(\mbox{nC})$ ]电子束。本文讨论了产生高电荷（$Q\le 3.2$ ~nC）40 MeV的电子束团与本征发射度的分配与未来的电子-离子对撞机的电子冷却选项的要求相一致。支持实验在费米实验室的FAST设施进行。数据进行了比较，数值模拟和讨论的结果的背景下，未来的电子-离子对撞机的光束要求。
2021-09-20 physics.acc-ph
Simulation Study on the Emittance Compensation of Off-axis Emitted Beam in RF Photoinjector
为了充分利用光阴极材料，提高其量子效率和寿命，在光阴极注入器中，激光工作时应远离阴极中心。在RF枪中，离轴发射的光束将看到时间相关的RF效应，这将产生横向发射度的显著增长。它已被证明，这样的发射度增长几乎可以完全补偿定向在一个适当的轨道上的下游RF腔沿注入器的光束。本文详细分析了文献[1]中所使用的仿真技术及其相关问题。涉及离轴光束的光电注入系统的优化是一个具有挑战性的问题。为了解决这个问题，人们需要先进的仿真工具，包括遗传算法和三维空间电荷的有效算法。在本文中，我们报告的模拟研究中，两个代码ASTRA和IMPACT-T联合使用，以克服这些挑战，以优化系统的设计，以补偿发射度增长的光束发射离轴。
2016-07-06 physics.acc-ph
Multi-Objective Optimizations of High Gradient C-band Photoinjector for High Bunch Charge Applications
本文针对1.6-cell C波段光电注入器，使用多目标遗传算法（MOGA）优化发射度与束团长度，并引入光阑保留明亮束流核心，使横向发射度降低超2倍，超越了相似束团电荷束流线的实验现状。
2025-09-14 physics.acc-ph
Versatile, high brightness, cryogenic photoinjector electron source
自从三十多年前射频（rf）光注入器电子源的引入以来，峰值性能需求已经决定了高加速电场的使用。随着最近在可获得的场值方面的强劲进展，预期伴随的光束亮度的增加将是戏剧性的。在这篇文章中，我们研究了在高频低温射频光注入器中实现极高梯度加速。我们详细讨论的效果，通过优化的射频腔的形状，丰富的空间谐波含量在此设备中的加速模式。更高的空间谐波提供有用的、增强的线性聚焦效应，以及潜在有害的非线性横向力。它们还用于大幅增加平均加速场与峰值表面场的比率，从而有助于管理功率和暗电流相关的挑战。我们调查了两种情况，其目的是在独特的利用这一来源的能力。首先，我们研究了如何在先进的自由电子激光应用中获得极高的六维亮度。我们还研究了使用磁化光阴极的设备，用于产生前所未有的低不对称发射度，高电流电子束，达到线性对撞机兼容的性能。由于这两种情况都需要先进的，紧凑的螺线管设计，我们描述了一种新型的低温螺线管系统。随着高场射频和静磁结构的介绍，我们分析了集体束动力学在这些系统中，通过理论和多粒子模拟，包括特别强调与微观库仑相互作用的粒度效应。
2021-05-11 physics.acc-ph
First observation of the exchange of transverse and longitudinal emittances
在费米实验室A0光注入器上完成了一个新的相空间操纵的实验方案，其中粒子束的水平和纵向发射度被交换。一种新的光束线，包括一个TM110偏转模腔两侧的两个水平色散狗腿已经安装。我们报告的横向和纵向发射度交换的第一次直接观察。
2011-06-20 physics.acc-ph
Photoinjector design for the LCLS
直线加速器相干光源的设计假设，一个低发射度，1-nC，10-ps的光束将可注入到15-GeV的直线加速器。建议的射频光阴极注入器，将提供一个150 MeV的光束与均方根归一化发射度为1毫米的横向和纵向尺寸是基于一个1.6细胞的S波段射频枪，配备了一个发射度补偿螺线管。助推器加速器位于与第一发射度最大值重合的束腰处，并且提供有~25 MeV/m的加速梯度，即，“新工作点”。“阴极激发所需的紫外脉冲将通过将钛宝石激光系统的输出增加三倍来产生，该激光系统由一个高度稳定的连续锁模振荡器和两个由一对Q开关Nd：YAG激光器泵浦的蝴蝶结放大器组成。大带宽的钛：蓝宝石系统适应所需的时间脉冲整形。详细的设计和支持模拟。
2001-11-06 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
Nonlinear Photoemission for Bright Beams in X-Band Photoinjectors
Biodesign Institute, Arizona State University（亚利桑那州立大学生物设计学院）；Department of Physics, Arizona State University（亚利桑那州立大学物理系）；Center for Applied Structural Discovery, Arizona State University（亚利桑那州立大学应用结构发现中心）
针对X波段光阴极注入器 blow-out 模式下线性光发射的技术挑战，提出非线性光发射设计，产生高亮度电子束，正通过空间光调制器进一步提升其亮度。
2026-10-14 physics.acc-ph physics.optics
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
Design of a radio-frequency photoinjector for generating relativistic vortex electron beams
ITMO University（ITMO大学）；Joint Institute for Nuclear Research（联合核研究所）；Budker Institute of Nuclear Physics, Siberian Branch of RAS（俄罗斯科学院西伯利亚分院布德KER核物理研究所）；Institute of Nuclear Physics（核物理研究所）
本文通过经典和量子模拟研究微波光注入器测试台，优化参数以获得稳定的电子束，并验证了加速涡旋电子束的可行性。
2026-11-04 physics.acc-ph physics.atom-ph
Controlling Electron-Beam Emittance Partitioning for Future X-Ray Light Sources
出于对未来光源的发射度要求，我们展示了如何引入横向相关性来创建具有大发射度不对称性的光束。这个概念概括了一个平束变换的一个关键方面，它引入了横向平面之间的初始相关性，系统与初始的横向相关性。我们提出了一个本征发射度的形式主义来分析这样的系统。我们通过分析从利用具有倾斜脉冲前沿的激光的光电注入器发射的电子束来说明该方法。这种方法可以用来设计束传输系统，实现非常横向明亮的电子束。
2010-10-22 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Formation of Compressed Flat Electron Beams with High Transverse-Emittance Ratios
扁平光束--具有不对称横向发射度的光束--在新型光源概念、先进加速方案中具有重要的应用，并且可能减轻轻子对撞机中对阻尼环的需求。在过去的十年中，提出了一种基于角动量主导光束转换的扁平光束产生技术，并进行了实验测试。在本文中，我们探讨的生产压缩扁梁。我们特别研究和优化的光束具有相当大的分数能量扩展的平束变换。作为一个模拟的例子，我们使用的费米实验室的先进超导测试加速器（ASTA）的光注入器。通过对3.2 nC、1.0 nC和20 pC的聚束电荷在~37 MeV下进行从开始到结束的数值模拟，对ASTA的扁平束流产生和压缩进行了优化。在不同束团电荷的情况下，压缩前束流的最佳发射度分别为0.25 μm（发射度比约为400）、0.13 μm、15 nm，压缩后束流的最佳发射度分别为0.41 μm、0.20 μm、16 nm，对于3.2 nC束流，束流峰值电流可达5.5 kA。这些参数与在非对称介质内衬波导中激发尾场或使用小间隙微波动器产生显著光子通量所需的要求一致。
2014-09-05 physics.acc-ph
Emittance Mapping in rf Guns
本文探讨了射频电子枪中束团尺寸、梯度、电荷与MTE对发射度和亮度的影响，发现梯度与束团纵横比间存在实现最高亮度的通用关系，为发射度预测的快速映射方法提供了基础。
2023-11-28 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
Reconstruction of Beam Transverse Parameters in the Fermilab Side-Coupled Linac Using a Normalized Coordinate Framework
Fermi National Accelerator Laboratory（费米国家加速器实验室）
本文提出一种归一化坐标框架，用于在费米实验室边耦合直线加速器中重建束流横向参数，该方法可最大化丝扫描器测量信息，并适用于复杂光学条件下的束流二阶矩重建。
2026-09-18 physics.acc-ph
On sector magnets or transverse electromagnetic fields in cylindrical coordinates
本文针对柱坐标中具有方位角平移不变性的电磁场，引入基于McMillan径向谐波及新伴随谐波的特殊函数，以统一描述横向场，对势论及加速器扇形元件设计建模有重要意义。
2016-03-10 physics.acc-ph
High brightness CW electron beams from Superconducting RF photoemission gun
高加速梯度连续光注入器有望在许多科学和应用领域带来革命性的变化。它们可以为新一代单色X射线自由电子激光、高亮度强子束或新一代微芯片生产奠定基础。在这封信中，我们报告的记录性能超导射频电子枪与$\textrm{CsK}_{2}\textrm{Sb}$光阴极。该枪产生高电荷电子束（高达10 nC/束）和低横向发射率，同时使用单个光阴极运行数月。这一成就开启了产生具有非常高平均亮度的高功率光束的新时代。
2020-03-16 physics.acc-ph
Covariant Formulation of the Transition Radiation Energy Spectrum of an Electron Beam at a Normal Angle of Incidence onto a Round Metallic Screen
在从以法向入射角撞击金属屏的N个电子聚束的过渡辐射发射中，电子聚束的横向和纵向空间坐标在确定N个单电子辐射场幅度及其相对相位方面起不同的作用，所述N个单电子辐射场幅度及其相对相位与带电束的电磁辐射机制必须满足的不同物理约束有关：时间因果关系和协方差。N个电子纵坐标的分布确实决定了N个电子碰撞金属屏的顺序，并且根据时间因果原理，它还决定了N个单电子场振幅从金属表面的相对发射相位的分布函数。N个电子的横向坐标的分布也有助于确定位于参考系的纵轴上的观察点处的N个电子场幅度的相对相位分布，从而提供说明N个电子相对于射束轴的横向位移的进一步相位信息。N个电子的横坐标的分布在相对于束的运动方向的洛伦兹变换下是相对论不变量，因此，期望在构成辐射场的N个单电子振幅上留下协变标记。辐射场上的N电子横向密度的协变印记影响过渡辐射能谱的时间相干和非相干部分。N个单电子辐射场振幅对横平面内电子密度的这种依赖性表现为......（由于篇幅不足，部分摘要未填写）
2012-07-03 physics.acc-ph
Possibilities for reduction of transverse projected emittances by partial removal of transverse to longitudinal beam correlations
我们证明，如果在粒子束中，粒子的能量与它们的横向位置和动量之间存在线性相关（线性束流色散），那么通过选择非零晶格色散的静磁系统，总是可以减小横向投影发射度。当所有的光束色散都归零时，横向投影发射度的最大可能减少发生，并且所需的晶格色散的值完全由光束色散和光束均方根能量扩展的值定义，并且与任何其他二阶中心光束矩无关。除此之外，我们证明，或者，也可以使用晶格色散消除粒子的纵向位置和它们的横向坐标（线性光束倾斜）之间的线性相关性，但在这种情况下，晶格色散的解决方案是非唯一的，不能保证减少横向投影发射度。
2014-09-22 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
Tunable subpicosecond electron bunch train generation using a transverse-to-longitudinal phase space exchange technique
我们报告的实验产生的训练的亚皮秒电子聚束。束训练生成使用能够在水平和纵向自由度之间交换坐标的束线来完成。由一组水平分离的子束组成的初始束被转换成具有可调聚束持续时间和间隔的时间上分离的聚束的训练。这封信中报告的实验明确地证明了转换过程及其多功能性。
2010-11-04 physics.acc-ph
Tailoring of an Electron-Bunch Current Distribution via Space-to-Time Mapping of a Transversely-Shaped Photoemission-Laser Pulse
超快时间尺度的时间成形电子聚束被预见为支持一系列应用，包括开发基于小足迹加速器的相干光源或作为探针，例如，超快电子衍射我们展示了一种方法，其中通过从横向图案化的激光分布的光电发射产生的横向分段的电子聚束被转换成具有调制的时间分布的电子聚束。实质上，所提出的变换使得能够将光阴极表面上的横向激光分布映射到时间坐标，并且提供了W. S.格雷夫斯等人，作为实现紧凑相干X射线源的途径，尽管在更大的时间尺度上。所提出的实验验证对数值模拟和多功能性的概念，例如，调整电流分布参数，展示。虽然我们的工作集中在电子束的产生安排作为一个时间梳，它是适用于其他时间的形状。
2019-09-26 physics.acc-ph
Landau damping of transverse head-tail instabilities with a pulsed electron lens in hadron synchrotrons
脉冲电子透镜沿强子束产生一个作为纵坐标函数的电子感应加速器调谐位移，这是一个纵向失谐。横向失谐的一个例子是由于八极磁体引起的调谐偏移。本文考虑了脉冲电子透镜作为减轻头-尾不稳定性的一种措施。使用一个详细的分析描述内的弗拉索夫形式主义，纵向和横向失谐的相干特性。分析预测的粒子跟踪模拟的结果进行了比较。一个脉冲电子透镜被证明是一个源的调谐扩展与两个组件：一个静态的，导致朗道阻尼;和一个动态的，导致一个有效的阻抗修改，我们证明分析和我们的粒子跟踪模拟。有效的阻抗修改可以是重要的束流稳定性，由于设备造成的纵向失谐，特别是对于非零的头-尾模式。Vlasov形式主义扩展到包括纵向和横向失谐的组合。作为一个可能的应用在SIS 100重离子同步加速器（FAIR在GSI达姆施塔特，德国），脉冲电子透镜与八极磁铁的组合被认为是。
2022-08-02 physics.acc-ph
