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
RF Couplers for Normal-Conducting Photoinjector of High-Power CW FEL
大电流发射度补偿射频光注入器是实现大功率连续波自由电子激光的关键技术。一个正常的导电，2.5细胞π模式，700 MHz的CW RF光注入器，将用于演示目的的初步设计完成。这种光电注入器将能够将100 mA的电子束（在35 MHz的聚束重复率下，每聚束3 nC）加速到2.7 MeV，同时在摆动器处提供低于7 mm mrad的发射度。超过1兆瓦的射频功率将通过两个脊加载锥形波导馈入到光注入器腔。波导通过在厚壁中切割的“狗骨”虹膜耦合到腔。由于连续工作的光电注入器，耦合器虹膜的冷却是一个相当具有挑战性的热管理项目。本文介绍了一个详细的耦合器腔体系统，已执行的电磁建模的结果，以选择耦合器的设计，最大限度地减少虹膜加热，由于在其墙壁的RF功率损耗。
2004-04-22 physics.acc-ph
Kelvin Probe Studies of Cesium Telluride Photocathode for AWA Photoinjector
碲化铯是粒子加速器中重要的电子源光电阴极。它具有相对高的量子效率（>1%），在光注入器中足够稳健，并且具有长的寿命。这种光阴极是为新的阿贡韦克菲尔德加速器（AWA）束线在内部生长的，以在长束训练中产生每束高电荷（~50 nC）。本文采用开尔文探针技术对碲化铯光电阴极的功函数进行了研究。该研究包括调查的量子效率和功函数之间的相关性，光阴极老化的影响，紫外线曝光对功函数的影响，以及光阴极通过加热再生过程中和之后的功函数的演变。
2012-05-17 physics.acc-ph
Collider-quality electron bunches from an all-optical plasma photoinjector
Stony Brook University（石溪大学）；University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）；University of Rochester（罗切斯特大学）；Brookhaven National Laboratory（布鲁克海文国家实验室）；University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校）
本文提出利用全光学等离子体光电注入器生成高质电子束的方法，通过激光脉冲时空控制产生离子化前沿，实现电子束的均匀加速场，模拟结果展示出高电荷和低发散角的电子束，满足碰撞机需求。
2026-04-15 physics.acc-ph physics.plasm-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
Detection and clearing of trapped ions in the high current Cornell photoinjector
我们最近进行了实验，以测试三个离子清除策略的有效性在康奈尔大学高强度光电注入器：直流清除电极，束团间隙，和光束抖动。的光电注入器达到了一个新的制度的直线加速器束流参数高CW束流导致离子捕获。因此，离子缓解策略必须评估这台机器和其他类似的未来高电流直线加速器。我们已经开发了几种技术来直接测量剩余的捕获离子。我们成功清除的两个主要指标是通过DC清除电极去除的离子电流的量，以及不存在由束离子相互作用产生的韧致辐射。对能量为5 MeV的电子束和1-20 mA范围内的CW束流进行了测量。已经开发了几个理论模型来解释我们的数据。使用它们，我们能够估计最大离子清除所需的清除电极电压，使用束团间隙时离子的产生和清除速率，以及通过束振动进行清除所需的正弦振动频率。在所有情况下，我们实现了至少70%或更高的最大离子清除，并且在某些情况下，我们的数据与完全离子清除一致。
2015-08-04 physics.acc-ph
Stability Analysis of the Laser System for the TTF Photoinjector at Fermilab
为了满足费米实验室TESLA测试设备（TTF）的要求，研制了一套能在263.5 nm波长下产生800个脉冲、每脉冲能量为18 mJ的1 MHz脉冲训练的固体激光器系统。[1，2]除了产生高电荷、高亮度的电子束之外，对高聚束电荷稳定性的需要要求脉冲训练中的每个激光脉冲必须具有相同的能量，并且每个激光脉冲的能量不应在发射与发射之间显著变化。这激发了TTF光注入器激光系统的稳定性分析。
2004-07-12 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
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
Synchroscan streak camera imaging at a 15-MeV photoinjector with emittance exchange
在费米实验室A0光注入器设施中，激光微脉冲和电子束微脉冲的聚束长度测量在过去已经用滨松C5680条纹相机的快速单扫描模块完成，其固有的拍摄到拍摄的触发抖动为10- 20 ps。我们升级了相机系统，同步扫描模块调谐到81.25 MHz，以提供小于1.5 ps FWHM触发抖动的同步求和能力，并配备锁相延迟盒，以在10 s分钟内提供约1 ps的相稳定性。这些步骤使我们能够测量紫外激光脉冲训练在263 nm和电子束通过光学渡越辐射（OTR）。由于低电子束能量和OTR信号，我们通常将50个微脉冲相加，每个微脉冲为0.25- 1 nC。锁相延迟盒使我们能够评估色时间效应，并促使另一次升级到全反射镜输入光学镜筒。此外，我们增加了一个慢扫描水平偏转插件，为条纹相机提供双扫描能力。我们报告了一系列的测量过程中进行的这些升级，包括使用发射度交换光束线和同时成像的紫外驱动激光器组件，OTR，和800纳米诊断激光束长度和相位效应。
2012-10-03 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
Commissioning results and electron beam characterization at the S-band photoinjector at SINBAD-ARES
近几年来，超短、高质量电子束的产生和加速引起了加速器科学界越来越多的兴趣。具有这些特性的电子束团对于操作和测试新型诊断和先进的高梯度加速方案（例如等离子体加速器或介电激光加速器）是必要的。此外，一些医疗和工业应用需要高亮度的电子束。DESY的专用研发设施ARES将在未来几年提供这种探测光束。在正常传导的RF光注入器和线性加速结构的设置之后，ARES成功地开始了RF枪的束流调试。本文概述了ARES的光电注入器的设置和总结的枪调试过程中的结果。第一生成的电子束的质量的特征在于电荷、动量、动量扩散和束尺寸。此外，波束参数对RF设置的依赖关系进行了研究。所有的测量结果的特征光束满足要求，运行的ARES直线加速器与该RF光注入器。
2021-06-28 physics.acc-ph
New Design Study and Related Experimental Program for the LCLS RF Photoinjector
我们报告的结果，最近的光束动力学研究，动机是需要重新设计的LCLS的光注入器，导致发现一个新的有效的工作点的分裂RF光注入器。我们考虑了空间电荷束的发射度补偿机制：通过增加螺线管强度，发射度在漂移区呈现双极小行为。如果助推器位于相对发射度最大值和包络腰部出现的地方，第二个发射度最小值可以被转移到助推器出口，并冻结在一个非常低的水平（0.3毫米mrad的1 nC平顶聚束），在一定程度上，不变的包络匹配条件得到满足。驻波结构或嵌入长螺线管的行波结构都是升压直线加速器的候选者。仔细测量的发射度的演变作为在漂移区的位置的函数是必要的，以验证计算和实验确定适当的位置的助推器腔。新的设计研究和支持的实验计划正在进行中的SLAC枪测试设备进行了讨论。
2000-07-14 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
Electron Bunch Train Excited Higher-Order Modes in a Superconducting RF Cavity
基于高阶模（HOM）的腔内束流诊断方法在超导射频（SRF）加速器中得到了有效和方便的应用。我们最近的研究表明，束团训练激发HOM谱中的束谐波，其具有比本征HOM峰高得多的信噪比，也可以用于束诊断。本文介绍了我们在北京大学直流同步辐射场（DC-SRF）光注入器和同步辐射场（SRF）直线加速器上进行的关于束团训练激发高阶矩的理论模型和实验研究。
2016-08-12 physics.acc-ph
Micro-Bunched Beam Production at FAST for Narrow Band THz Generation Using a Slit-Mask
我们讨论了在费米实验室加速器科学与技术（FAST）设施上产生窄带太赫兹辐射的微聚束的模拟和实验。FAST低能电子束线由一个基于光注入器的射频电子枪、两个L波段超导加速腔、一个减速弯和一个束流收集器组成。为了获得更好的纵向分离，腔相位偏离波峰使电子聚束延长，然后在弯道中安装狭缝掩模使电子聚束微聚束。我们用30 MeV的电子束进行了实验，并在弯道中使用斜四极磁铁检测微聚束信号。在本文中，详细介绍了微聚束的产生，微聚束的检测和与模拟的比较。
2018-07-11 physics.acc-ph
Short-Pulse Driven Radiofrequency X-Band Photoinjector: Electromagnetic Properties and Beam Dynamics in the Transient Regime
本文研究短射频脉冲驱动的X波段光注入器在瞬态条件下的电磁特性与束流动力学，通过动态场映射模拟揭示瞬态效应对束流能量、发射度和束长的影响。
2025-03-13 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
Compression of High-Charge Electron Bunches
费米实验室的A0光电注入器可以产生高电荷（10-14 nC）低发射度（12 nC时为20 pi mm-mrad）的电子聚束。我们已经进行了最佳压缩条件的研究。在9单元捕获腔中的非峰值加速度引起能量-时间相关性，该能量-时间相关性由压缩机弯道（4个偶极子）旋转。聚束长度的测量使用条纹相机图像的光学过渡辐射。我们目前的测量在各种条件下，包括激光脉冲长度的影响（2 ps西格玛高斯与10 ps FWHM平顶）。迄今为止，最好的压缩是针对13.2 nC聚束，其中sigma = 0.63 mm（1.89 ps），其对应于2.8 kA的峰值电流。
2000-08-21 physics.acc-ph
Experimental demonstration of the correction of coupled transverse dynamics aberration in an rf photoinjector
在校正各种像差后，产生的低横向发射度电子束团接近光阴极的热发射度。最近，耦合横向动力学像差被理论上确定为发射度增长的重要来源，并且提出了用于消除其的校正器磁体[D. H. Dowell，F. Zhou和J. Schmerge，PRAB 21，010101（2018）]。当光束获得非对称分布时，该像差出现，然后光束相对于横向参考轴旋转，从而在垂直和水平平面中引入相关性。这种不对称性是由射频电子枪或发射度补偿螺线管中的弱四极场引入的，而旋转是由螺线管引起的。这封信提出了一个实验研究的耦合横向动力学像差的射频光注入器，并演示了它的消除由一个正常的和一个斜四极组成的四极校正。实验结果与理论预测和数值模拟吻合较好。研究还表明，低电荷束的发射率可以保存在其热值，这是1.05毫米mrad/mm，碲化铯光电阴极和248 nm紫外激光器的运输过程中。
2019-02-14 physics.acc-ph
Tailored electron bunches with smooth current profiles for enhanced transformer ratios in beam-driven acceleration
用于带电粒子加速的共线高梯度${\cal O} (GV/m)$束驱动尾场方法对于实现紧凑、成本有效的加速器是至关重要的，例如，支持TeV级轻子对撞机或多用户自由电子激光设施。为了使这些选择可行，高加速场需要用大的Transformer比$>2$来补充，该大的变压器比是表征尾流场激发的“驱动”束与加速的“见证”束之间的能量传递效率的参数。虽然已经讨论了几种潜在的电流分布，但由于其通常不连续的性质，它们的实际实现似乎具有挑战性。在本文中，我们提出了几个替代的电流分布，这是顺利的，也导致增强的Transformer比。我们特别探索了一种激光整形方法，能够直接从光注入器中产生一种建议的分布，并讨论了一种可能驱动电介质加速器的直线加速器概念。
2015-05-22 physics.acc-ph
Design of a High-bunch-charge 112-MHz Superconducting RF Photoemission Electron Source
在粒子加速器的许多先进应用中，如强子束的电子冷却器、电子-离子对撞机和自由电子激光（FEL），都需要高束团电荷的连续波（CW）光电发射电子源。超导RF（SRF）在CW模式下比其他电子枪技术具有几个优势，因为它提供更高的加速率，并可能产生更高的聚束电荷和平均束流。布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory，BNL）开发了一种112 MHz SRF电子光注入器（枪），为相干电子冷却原理验证（CeC PoP）实验产生高亮度和高聚束电荷聚束。该枪利用四分之一波长谐振器（QWR）的几何形状，以确保光束的动态，并使用高量子效率（QE）的多碱光电阴极产生电子。
2016-08-28 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
First high peak and average power single-pass THz FEL based on high brightness photoinjector
本文报告了基于高亮度光电注入器的单程太赫兹自由电子激光器的首批实验结果，在100微米波长下产生高功率、高重复频率的窄带太赫兹脉冲，验证了其作为可调谐太赫兹源的可行性。
2024-05-29 physics.acc-ph
An optical and terahertz instrumentation system at the FAST linac at Fermilab
FAST是费米实验室的一个设施，包括一个光电注入器，两个超导捕获腔，一个超导ILC式低温振荡器，以及一个用于研究非线性可积分束流光学的小环，称为IOTA。本文讨论了布局的光学传输系统，提供光辐射的外部位于条纹相机束长度测量，和太赫兹辐射的马丁-普普莱特干涉仪，束长度测量。它接受来自两个同步辐射端口的辐射在一个弯道聚束压缩机和衍射/过渡辐射屏下游的压缩机。它还可以从光谱仪磁体之后的过渡辐射屏或YAG屏获取信号，以测量能量-时间相关性。将介绍条纹相机和马丁-普普莱特的初步结果。
2018-03-02 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
Plasma boosted electron beams for driving Free Electron Lasers
在本文中，我们报告的模拟结果，在EuPRAXIA \cite{Walk2017}和EuPRAXIA@ ENUB\_LAB \cite{Ferr2017}项目的框架内，旨在提供一个高亮度的电子束驱动的自由电子激光（FEL），采用等离子体后加速方案。升压等离子体波由数十个\SI{}{\tera\watt}类激光器驱动，并将外部注入光束的能量加倍，达到\GeV{1}。模拟注入的聚束从一个光注入器开始，匹配等离子体，升压，最后匹配到波荡器，在那里它的能力，以产生$O(\num{e11})$光子每次拍摄在\nm{2.7}的自由电子激光辐射验证。
2018-02-19 physics.acc-ph
Classical and quantum beam dynamics simulation of the RF photoinjector test bench
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。
2026-02-14 physics.acc-ph physics.atom-ph
ATCA LLRF System for ASU Compact FEL
SLAC国家加速器实验室正在与亚利桑那州立大学合作，设计一个LLRF系统，以推进ASU紧凑型X射线光源（CXLS）。CXLS是一个分阶段的项目，旨在开发小型明亮X射线源，这些X射线源可以产生适合作为LCLS和LCLS II种子源的相干X射线。CXLS电子束是由X波段光注入器和直线加速器产生的，工作频率为9.3 GHz，重复频率为1 kHz，每束流高达300 pC。直线加速器由3个短的20室的驻波直线加速器段组成。RF枪和直线加速器部分由两个使用L3速调管和Scandi-nova K1调制器的6 MW发射机供电。加速器最初将以单束团模式运行，并可能在稍后升级为多束团运行。SLAC国家实验室已经为ASU项目开发了高级电信计算架构（ATCA）中的LLRF系统。本演讲将讨论该项目的LLRF设计，并讨论ATCA的实现。
2019-10-01 physics.acc-ph
Inhibition of Current-spike Formation Based on Longitudinal Phase Space Manipulation for High-Repetition-Rate X-ray FEL
双喇叭电流分布的形成是实现高峰值电流电子聚束的一个挑战性问题，特别是对于高重复频率X射线自由电子激光（XFEL），其中涉及更多的非线性和复杂的束流动力学传输。在这里，我们提出了一个双模式聚束器来校正非线性光束的纵向相空间畸变的光电注入器部分。结合演化多目标束流动力学优化，该方法被证明是有效的操纵在注入器出口处的纵向相空间。此外，委员会认为，在上海高重复率XFEL和极光装置上进行的模拟结果表明，该方案在回波级联工作时，可使脉冲能量提高3倍以上。实现谐波产生和高增益谐波产生。此外，该方法还可以用于高重复率电子束的纵向相空间整形，以满足不同研究的具体需求。
2021-12-08 physics.acc-ph
Coupling periodic-cell and finite-bunch dynamics for structured photocathodes
Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY（德国电子同步辐射中心）
提出一种耦合周期单元与有限束团动力学的方法，通过结合有限平面阴极计算与周期差异计算，高效模拟结构化光电阴极的束流特性，在保持精度的同时大幅降低计算成本。
2026-09-11 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
The FaBrE Project at Trieste
本文介绍了一种适用于短波长直线加速器自由电子激光器的高亮度电子源的设计方案。该项目的目标是开发一种多电池集成的光注入器，能够提供发射度低于1 mm mrad的1 nC聚束。这将是在现有的里雅斯特直线加速器基础上开发第四代光源测试设施的第一步。为此目的，的里雅斯特新克罗特公司和INFN米兰公司之间开展了一项共同计划。本文简要介绍了ELETTRA直线加速器上射频电子枪电磁结构和束流动力学的初步结果。
2000-08-22 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
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
Comparison of DC and SRF Photoemission Guns For High Brightness High Average Current Beam Production
两个最突出的电子源的高平均电流高亮度电子束，直流和超导RF光电发射枪，进行了比较，使用一个大规模的多变量遗传优化接口与空间电荷模拟代码。每种情况下的枪的几何形状是同时变化的激光脉冲的形状和参数的下游光束线元件的光电注入器，以获得最小的发射率作为一个函数的聚束电荷。对两种枪型的最大场值施加了现实约束。SRF和直流枪的发射度和束包络进行了比较的光阴极热发射度的各种值。发现这两个系统的性能在很大程度上是可比的，提供低本征发射度的光电阴极可以采用。
2011-03-29 physics.acc-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
Transverse Beam Envelope Measurements and the Limitations of the 3-Screen Emittance Method for Space-Charge Dominated Beams
在其正常操作模式下，阿贡尾波场加速器设施使用高电荷（10-100 nC）、短脉冲（3-5 psec）驱动聚束来激发各种慢波结构中的高梯度加速场。为了产生这一束，我们设计了一个1.5细胞，L波段，射频光阴极枪发射补偿螺线管，以提供最佳的性能在高电荷，它最近已完成调试。最近，我们已经开始研究使用这种枪在高亮度，低电荷的操作模式，与电荷等于约1 nC，高精度测量尾流场的可能性。两个相关的测量报告在本文中：（1）测量的横向束包络进行比较，预测从束流动力学代码PARMELA;和（2）调查使用修改后的3屏幕发射度测量方法，使用的束包络模型，包括空间电荷和发射度的影响。这两个测量是为1 nC，8兆电子伏的光束在漂移区直接以下的射频光阴极枪。
2004-10-01 physics.acc-ph
High temporal resolution THz streaking of high brightness relativistic electron beams
UCLA（加州大学洛杉矶分校）；Tsinghua University（清华大学）
本研究系统地探讨了用于超快表征高亮度相对论电子束的THz streaking结构，通过分析模型和电磁模拟描述了streaking功率与波导尺寸和驱动频率的关系，并通过压缩电子束实验验证了THz streaking结构的设计原则和性能极限。
2026-05-18 physics.acc-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
Advanced Control of Electron Beams: Tailoring X-ray Production with Programmable Laser Shaping
Stanford University（斯坦福大学）；SLAC National Accelerator Laboratory（斯坦福直线加速器中心）；UCLA（加州大学洛杉矶分校）
本文提出通过可编程激光成型实现电子束控制，以定制X射线产生。利用非线性频率转换与空间光调制器结合的架构，生成用户定义的时间结构，并通过高分辨率时间域诊断观察其对电子束的影响。
2026-03-16 physics.acc-ph
Beam-Beam Interaction in a Dielectric Laser Accelerator Electron-Positron Collider
通过数值计算研究了在1 TeV的介质激光加速器（DLA）对撞机中光学间隔电子/正电子微聚束的对向传播序列的碰撞。在经典极限下，推导了任意束团数的时间相关的包络方程，其中包括辐射反作用力（RRF）。示例参数检查的基础上，考虑到最佳效率，材料损伤限制，和功率约束的聚束电荷的约束光度关系。我们发现，对于初始相同的反向传播高斯聚束列车的周期性的时间结构导致亮度与聚束的数量的峰值。对于较长的聚束串，增强则与聚束的数量成反比地减小。相应的能量损失分数为1.75%，当考虑横向力的非线性径向依赖性时，能量损失分数减小到0.35%，平均束流辐射参数为0.075，考虑到束流辐射损失是未来TeV对撞机的关键问题，这是一个重要的结果。
2021-09-29 physics.acc-ph
Commissioning and Operation of FAST Electron Linac at Fermilab
我们报告了费米实验室加速器科学与技术（FAST）设施的1.3 GHz超导RF电子直线加速器的束流调试和首次运行的结果。直线加速器的建设已经完成，机器于2017年投入使用。在ILC型SRF低温装置上获得了最大束流总能量约300 MeV，能量增益为250 MeV的记录。调整光注入器以产生频率为3 MHz、重复率为1 Hz的200 pC聚束串。本报告描述了机器调试的各个方面，例如SRF低温恒温器的调谐和束流光学优化。我们还提出了在两个月的运行，包括尾场的研究，先进的光束相空间操纵寄生进行的实验计划的亮点。
2018-11-09 physics.acc-ph
Experimental Study of Beam Dynamics In The PIP-II MEBT Prototype
质子改进计划第二阶段（PIP-II）是费米实验室注入复合体的升级计划，其核心部分是800 MeV，2 mA CW SRF直线加速器。PIP-II直线加速器前端的原型称为PIP-II注入器测试（PIP 2 IT）正在费米实验室建造。到目前为止，已经组装并调试了15 mA DC、30 keV H离子源、2 m长的低能束运输器（LEBT）、2.1 MeV CW离子源以及随后的10 m中能束运输器（MEBT）。MEBT逐束团斩波系统和低不受控束流损失的要求对束流包络及其变化提出了严格的限制。测量了MEBT中的横向和纵向束流动力学，束流电流范围为1-10 mA。几乎所有的测量都是用10 μs的光束脉冲进行的，以避免损坏光束线。本报告介绍了测量的横向光学与差分轨迹，重建的束包络与刮刀和艾利森发射度扫描仪，以及束团长度测量与快速法拉第杯。
2018-08-24 physics.acc-ph
Dynamics of Femtosecond Electron Bunches
在激光尾流场加速器中，一束持续时间为等离子体波周期量级的短脉冲激光将激发出异常强的等离子体尾流波（激光尾流场）。最近关于激光尾场加速的实验[Nature（London）431，p.535，p.538，p.541（2004）]证明了具有百分之几数量级的相对低能量扩展的超短（具有几飞秒的持续时间）相对论性电子聚束的产生。我们研究了这种聚束在真空和激光尾流场中的动力学。结果表明，在这两种情况下，强大的聚束动力学已经在几毫米的传播距离。在真空中，束团半径和发射度迅速增长。后者是一群人的可聚焦性。我们发现，当飞秒束团在通道引导的激光尾流场中加速时，对于实际的束团长度，束团长度近似守恒。然而，在电子感应加速器频率的扩展导致快速电子感应加速器相位混合在轴上注入的聚束包络。当束团离轴注入激光尾流场中时，束团退相干导致束团归一化发射度的显著增加，在某些情况下，加速后束团的能量扩展也会增加。我们还讨论了一种可能的两级激光尾场加速器。
2007-08-21 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Exact 1D Nonlinear Solutions for Proton-Driven Plasma Wakefields
Joule Physics Laboratory, School of Science, Engineering and Environment, University of Salford（索尔福德大学科学与工程环境学院焦耳物理实验室）
研究质子驱动等离子体尾波场，提出准静态近似下的一维非线性流体框架，经双束泵浦-探测配置检验，还缩放框架模拟CERN AWAKE设施参数，模型与实验匹配，为研究微束轮廓提供基础，优化变压器比。
2026-10-21 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.acc-ph
Multiscale Analysis of RMS Envelope Dynamics
我们提出了应用变分小波方法不同形式的非线性（理性）均方根包络方程。在紧支撑小波基的基础上，我们将束团振荡表示为多分辨率（多尺度）展开。
2000-08-13 math-ph math.MP nlin.CD
Laser-accelerated, low divergence 15 MeV quasi-monoenergetic electron bunches at 1 kHz
我们演示了激光尾场加速的准单能电子束团高达15兆电子伏，在1 kHz的重复频率与2.5 pC的电荷每束和一个核心与< 7 mrad的光束发散。加速是由5 fs，< 2.7 mJ的激光脉冲入射到一个薄的，近临界密度的氢气射流。低光束发散归因于对激光载波包络相位滑移的降低的敏感性，这通过使用激光偏振和气体射流控制以两种方式实现：（1）电子注入到气体射流的等离子体密度下降斜坡上的尾流中，以及（2）使用圆偏振驱动脉冲。在下坡中的温和波破碎的条件下，电子束轮廓具有与κ电子能量分布一致的2D洛伦兹形状。这种分布以前只在空间或尘埃等离子体中观察到。我们将这种形状归因于二次尾流场气泡势所限制的强相关无碰撞聚束，其中气泡中的红移激光场将横向速度空间扩散赋予聚束。
2020-10-29 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Finding matched rms envelopes in rf linacs: A Hamiltonian approach
我们提出了一种新的方法来获得匹配的解决方案的均方根包络方程。在这种方法中，包络方程首先表示为哈密顿形式。哈密顿算子定义了一个非线性映射$\cal M$，对于周期输运系统，单周期映射的不动点是匹配包络。围绕基准轨迹展开哈密尔顿算子，获得线性映射$M$，其描述基准轨迹附近的轨迹（rms包络）。使用$\cal M$和$M$，我们构建了一个压缩映射，可以用来获得匹配的信封。该算法是二次收敛的。使用零电流匹配参数作为起始值，收缩映射通常在几次到几次迭代中收敛。由于我们的方法使用数值积分来获得所有的映射，它包括非理想化的，$z$依赖的横向和纵向聚焦场的影响。我们提出的数值例子，包括找到一个匹配的光束在四极通道与射频聚束器。
1995-02-12 acc-phys physics.acc-ph
Analytical Scaling Laws for Radiofrequency Based Pulse Compression in Ultrafast Electron Diffraction Beamlines
在本文中，我们使用一个包络方程为基础的方法来获得分析的比例律最短的脉冲长度可实现使用射频（RF）为基础的聚束压缩。推导出的公式阐明了电子束能量和束电荷的依赖关系，并揭示了如何获得包含1百万电子与个位数fs脉冲长度的聚束;相对论能量是非常可取的。与RF曲率和漂移中的光束传播相关的非线性的影响被示出为强烈限制极端压缩比的可达性。使用额外的高频RF腔被提出作为一种方法来线性化聚束压缩，并使超短光束的产生在亚飞秒制度。
2021-06-03 physics.acc-ph physics.app-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
Design of high brightness Plasma Wakefield Acceleration experiment at SPARC\_LAB test facility with particle-in-cell simulations
目前的数值研究的等离子体尾场加速方案在弱非线性制度与外部注入的动机是即将到来的活动在实验室的测试设施，最终目标是证明适度的梯度加速（$\sim$ 1 GV/m），没有质量损失。可以设想加速的聚束作为自由电子激光的种子。数值研究已经进行了粒子在细胞的代码${\tt ALaDyn}$，等离子体加速版本的详尽描述。该配置考虑两个聚束设置与设施范围内的参数，聚束产生和预加速高达100 MeV的高亮度的光注入器之前的等离子体注入。为了验证工作点的鲁棒性，我们考虑了驱动器聚束到达等离子体或具有更大尺寸或具有大发射度的情况。我们还提出了一种分析方法的基础上的包络方程，允许减少匹配条件下存在的斜坡。在这里，我们限制我们的兴趣，一个简化的理论情况下，线性等离子体斜坡。作为最后一个方面，我们建议结合经典的集成聚束诊断与Shapiro-Wilk的测试，一个数学测试来诊断聚束偏离高斯分布。
2018-02-12 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Optics Reconstruction in the SCL Section of the FNAL Linac
本文针对FNAL直线加速器SCL段，提出三步光学重建方法，通过四极铁扫描与BSM测量确定Twiss参数，调整四极铁校准，并利用TraceWin模拟验证束流包络，获取了过渡段入口处的束流参数。
2025-09-16 physics.acc-ph
