高亮度电子束发射度、束长和束斑的先进测量方法研究

论文摘要

利用高亮度电子束作为驱动的大型科研装置如短波长自由电子激光,汤姆逊散射X光源,国际直线对撞机等的成功建造和运行需要强有力的束流测量手段作为保障,以确保在从电子源到作用点的长距离传输中能够维持电子束品质。这类装置对束流性能的要求以低发射度,短束长和小束斑为特征,而现有技术在精确测量其参数方面仍然面临巨大挑战。本论文正是在这样的背景下确定的,论文围绕高亮度电子束测量开展了广泛深入的理论和实验研究。针对低发射度的测量问题,我们在清华大学光阴极微波电子枪实验平台上开展了一系列先进束流测量方法研究。我们利用螺线管扫描法测量了电子束热发射度;设计并加工了多缝系统用于测量空间电荷占优的电子束发射度;在国际上首次利用螺线管对光阴极枪出口的相空间分布进行了计算机断层重建,同时也在国际上首次实验观测到热发射度相空间的无规则随机分布。针对短束长的测量问题,我们设计并搭建了Martin-Puplett干涉仪,并且利用该干涉仪成功实现了对磁压缩器出口超短电子束纵向分布的无阻拦测量。我们首先利用随机行走模型研究了单个电子辐射谱和整个束团辐射谱的关系,为频域下测量电子束纵向分布提供了理论依据;随后利用虚光子衍射模型对实际情况下的衍射辐射场进行了研究,该工作得到了国际同行的高度认可,被国际同行做为基准用于标定新发展的计算模型;最后我们利用搭建的Martin-Puplett干涉仪实现了对超短电子束纵向分布的无阻拦测量,为基于下一代加速器的大科学工程的建设提供了技术储备。针对小束斑的测量问题,我们研究了光学渡越辐射对电子束成像的分辨率问题,提出了利用反卷积获得微米级电子束束斑的方法;国际上首次提出衍射辐射靶扫描法测量极小电子束尺寸的新方法,该方法得到了国际同行的认可;国际上首次研究了光学衍射辐射对电子束成像的点扩散函数和分辨率问题,我们的理论和国际上同期发表的实验结果较好的吻合,有助于进一步将光学衍射辐射用于高能量高密度电子束的无阻拦测量。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 描述电子束的参数
• 1.1.1 相空间
• 1.1.2 发射度
• 1.1.3 亮度
• 1.2 电子束测量的意义
• 1.2.1 短波长自由电子激光
• 1.2.2 基于汤姆逊散射的X 光源
• 1.2.3 国际直线对撞机
• 1.2.4 等离子体尾场加速器
• 1.3 高亮度电子束的测量现状
• 1.3.1 低能电子束发射度测量现状
• 1.3.2 中能电子束束团长度测量现状
• 1.3.3 高能量高密度电子束束斑测量现状
• 1.4 论文工作的主要内容及创新点
• 1.4.1 论文工作的主要内容
• 1.4.2 论文工作的创新点
• 第2章 光阴极枪出口低能电子束发射度和相空间分布测量
• 2.1 螺线管磁铁扫描法测量热发射度
• 2.1.1 螺线管磁铁扫描法测量原理
• 2.1.2 螺线管磁铁扫描法测量热发射度实验
• 2.2 多缝法测量空间电荷占优电子束发射度
• 2.2.1 空间电荷力对发射度测量的影响
• 2.2.2 多缝法测量发射度原理
• 2.2.3 多缝物理参数的确定
• 2.2.4 多缝法测量发射度实验结果
• 2.3 CT 方法测量电子束相空间分布
• 2.3.1 CT 方法测量原理
• 2.3.2 基于螺线管磁铁的CT 相空间分布重建
• 2.4 小结
• 第3章 相干衍射辐射无阻拦测量亚皮秒电子束长度
• 3.1 常用的几种电子束长度测量方法
• 3.1.1 条纹相机
• 3.1.2 零相位法
• 3.1.3 横模腔
• 3.1.4 电光采样法
• 3.1.5 频域方法
• 3.2 频域下测量束长的理论依据
• 3.2.1 连续流体模型描述整个束团的辐射谱
• 3.2.2 随机行走模型描述整个束团的辐射谱
• 3.2.3 随机行走模型的应用
• 3.3 衍射辐射理论
• 3.3.1 渡越辐射
• 3.3.2 虚光子衍射模型
• 3.3.3 辐射体的有限大尺寸效应
• 3.3.4 辐射体的表面粗糙度效应
• 3.3.5 近场效应及其补偿
• 3.4 Martin-Puplett 干涉仪的研制
• 3.4.1 Martin-Puplett 干涉仪构造
• 3.4.2 失相模式下Martin-Puplett 干涉仪工作原理
• 3.5 束团分布的Kramers-Kronig 重建
• 3.5.1 余弦傅里叶变换的局限性
• 3.5.2 Kramers-Kronig 重建原理
• 3.5.3 电子束纵向分布 Kramers-Kronig 重建的数值模拟验证
• 3.6 束团长度测量实验
• 3.6.1 相干渡越辐射实验结果
• 3.6.1.1 磁压缩器的优化
• 3.6.1.2 电子束纵向分布测量
• 3.6.2 相干衍射辐射实验结果
• 3.7 一种测量超短电子束长度的新方法
• 3.7.1 衍射辐射偏转器
• 3.7.2 衍射辐射偏转器测量超短电子束长度
• 3.8 小结
• 第4章 光学衍射辐射无阻拦测量高能电子束横向参数
• 4.1 利用光学衍射辐射角分布测量电子束尺寸
• 4.1.1 利用辐射角分布明显度测量束团尺寸
• 4.1.2 辐射靶扫描法测量电子束尺寸
• 4.2 利用光学衍射辐射对高能电子束成像
• 4.2.1 点扩散函数的计算
• 4.2.2 光学渡越辐射对电子束成像的分辨率研究
• 4.2.3 光学衍射辐射对高能电子束成像
• 4.2.3.1 利用圆孔衍射辐射对电子束成像
• 4.2.3.2 利用矩形狭缝衍射辐射对电子束成像
• 4.2.3.3 利用半无穷平板衍射辐射对电子束成像
• 4.3 利用光学衍射辐射测量电子束束心位置
• 4.4 小结
• 第5章 衍射辐射体尾场对电子束参数的影响
• 5.1 衍射辐射和尾场的比较研究
• 5.2 衍射辐射体的尾场和阻抗
• 5.3 衍射辐射体尾场对电子束品质的影响
• 5.4 小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果