基于速度压缩的高亮度电子束产生

Velocity bunching has been recently proposed as a tool for compressing electron beam with high brightness. It can be widely applied in the facilities with high brightness electron beam, such as X-ray free electron laser, Thomson scattering X-ray source, broadband terahertz radiation generation, megavolt ultrafast electron diffraction, beam-driven plasma wakefield acceleration. The key technique is control of the emittance oscillations in the beam in this scheme. The project will study the key physics and technique of high brightness electron beam generation based on velocity bunching with theory analyzing, simulation and experiments. The results can be used in the facilities required high brightness electron beam, and promote the development of the applications in such field in our country.

基于高亮度电子束应用的装置中，如X射线自由电子激光（XFEL）、汤姆逊散射X射线源、超宽谱THz源、束流驱动的等离子尾场加速（PWFA）、兆电子伏超快电子衍射（MeV UED）等，均需要加速器通过束流压缩的方法提供低发射度、高流强的超短电子束。速度压缩方法利用不同能量电子运动的速度差在直线段实现束团的压缩，能在实现束流压缩的同时控制束流发射度增长，在基于高亮度电子束应用的装置中具有很好的应用前景，近年来受到了广泛的关注。控制压缩过程中的束流发射度增长是通过该方法成功产生高亮度束流的关键，需要对压缩过程中束流纵向和横向动力学开展深入研究。本项目旨在通过理论分析、数值模拟和束流实验研究，系统的发展基于速度压缩的高亮度电子束产生的技术。该项目的研究成果将能直接应用于我国基于高亮度电子束应用的装置中，推动我国在高亮度电子束源及应用方面的发展。

高亮度电子束流是当前基于高亮度电子束流应用如X射线自由电子激光、超快电子衍射、高峰值功率单周期THz、汤姆逊散射X/γ射线源、等离子体尾场加速等的基础，如何产生低发射度、短脉冲长度的高品质束流是当前加速器领域研究的重点，速度压缩是当前产生短脉冲长度、高峰值流强束流的新方法之一。本项目针对光阴极注入器中超短束流的产生，基于速度压缩方法开展了大量的模拟和实验研究，并在此基础上开展了高峰值场强THz产生及应用、超快电子衍射、束流驱动尾场加速、超快电子成像、等离子体尾场加速外注入等实验研究。通过该项目的研究，理解了速度压缩过程中的物理和关键问题，在实验中产生了束团长度在10fs量级、峰值流强达千A量级的高品质束流。为后续应用研究奠定了很好的基础。