基于光学渡越辐射的皮秒级脉冲电子束测量装置和方法

摘要

本发明涉及一种基于光学渡越辐射的皮秒级脉冲电子束测量装置和方法，原理是基于电子束团产生的光学渡越辐射，通过设计一种光阴极和漂移管的结构，实现对于光学渡越辐射脉冲宽度的拉伸，并且将光信号转换为电信号，利用示波器测量电信号脉冲宽度，从而通过反演计算得到光脉冲宽度，继而得到电子束团的长度。本发明为测量皮秒级脉冲电子束提供了一种新的思路，弥补相关测量方法的空缺，与现有方法相比在特定应用场景下具有明显优势。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于光学渡越辐射的皮秒级脉冲电子束测量装置和方法，基于电子束团产生的光学渡越辐射，通过设计的漂移管结构对光脉冲进行拉伸并测量，继而通过反推计算得到电子束团长度，实现对电子束团长度的测量。

背景技术

电子束团长度测量特别是皮秒级电子束团一直以来都存在较大难度，出于不同的目的和应用需求会有相应不同的测量方法。国内外电子束团长度测量按照研究方法划分主要包含有条纹相机、单光子计数法、频域法、横向偏转腔测量法以及电光采样法等。

条纹相机是时域下测量电子束长度的最典型方法。其原理是首先通过渡越辐射、契伦科夫辐射等方法产生和电子束时间分布相同的光信号，这些光信号通过光阴极进一步转化为分布相同的电子束，经条纹相机记录。如图1所示，日本的J.Yang等在BNL实验室研制的基于磁压缩器的飞秒电子束产生装置上，用条纹相机测量电子束团的Cherenkov辐射，从而测得束团的长度。该装置非常昂贵，系统复杂，并且是一种阻拦型的测量方法。

单光子计数法是基于将同步光的光通量衰减至在多个回旋周期下仅有一个光子被光子检测器检测到的水平。将光子到达检测器的时间与一个跟束团回旋周期同步的定时信号的时间差进行数字化采集，并通过积累大量的事件就可以重构出束团纵向分布，从而得到大的动态范围。系统的时间分辨率和精度可以通过系统的电子学系统设计保证，系统的时间分辨率可达2ps左右。该方法测量的前提是加速器稳定性好，束长抖动很小。但是该方法需要做大量的采样，效率较低，测到的是平均时间谱，测量结果也不够理想。

电子束也可以在频域下进行测量。电子束团的辐射功率可以表示为，

P(ω)_b＝P(ω)_e[N+(N-1)F(ω)]

其中N是是束团的电子个数，F(ω)称作形状因子，是电子束纵向归一化分布对应的傅里叶变换的模的平方。相干辐射携带了大量电子束团的纵向分布信息，因此相干渡越辐射(CTR)，相干同步辐射(CSR)，相干衍射辐射(CDR)等都已经成功用于电子束长度测量。该测量方法的记录端一般采用迈克尔逊干涉仪，得到频域信息再推算时域信息，要求较高。

横向偏转腔测量法是当束团处于RF零相位时将横向偏转腔施加一定偏压使束团在前行方向上发生偏移，使用探测器接收束团从而进行束团长度测量，直接对束团本身进行测量。图3给出了横向偏转腔测量束团长度的原理示意图。该方法可以方便的进行测量，但是该方法需要占据较多的空间，而且一般为了独立调节横模腔的工作频率、场强和相位，其需要独立的功率源系统，造价昂贵。

电光采样法是利用晶体的电光效应，经过晶体后的线偏振光在电场的作用下会成为椭圆偏振光，椭圆度正比于电场强度，对于相对论电子束，可以认为其正比于束团的纵向电荷密度。电光采样法的分辨率受到电光晶体自身对THz共振吸收的限制，一般利用ZnTe电光晶体进行测量时的分辨率很难优于200fs，目前利用共振吸收频率较高的晶体(如GaP)获得的最高分辨率为60fs。该方法需要超短激光，花费较大，导致测量成本很高。

从上述各种束长测量方法的研究现状来看，它们都有各自对应的应用场所和一定的优缺点，在测量能力上也各有差异，频域法、横向偏转腔、电光采样法需要一定的技术或者经验的积累，且系统均较复杂。单光子计数法效率太低，且是平均束长测量。条纹相机法中，辐射转换成Cherenkov光或者OTR光，系统搭建相对简单，但条纹相机成本昂贵。

发明内容

为了解决背景技术中现有电子束团长度测量存在缺陷，本发明提供了一种结构简单，制作成本低，测量效率及准确性较高的基于光学渡越辐射的皮秒级脉冲电子束测量装置。

另外，本发明基于上述测量系统还提供了一种基于光学渡越辐射的皮秒级脉冲电子束测量方法。

本发明的基本设计思路是基于光学渡越辐(OTR)和时间拉伸技术构建了一套皮秒级脉冲电子束测量装置，主要技术原理包括：

1)OTR辐射转换技术。带电粒子束在真空中穿过非连续介质表面产生渡越辐射，在90度方向接收到的光基本上都是可见光成分，这种辐射称为光学渡越辐射，简称OTR。基于OTR辐射物理原理，研究设计OTR辐射转换靶和OTR收集光路。

(2)时间拉伸技术。OTR光投射到光阴极上，产生光电子，光电子在漂移管中经过加速和拉伸，形成电脉冲信号由示波器接收，进而计算得到电子束团长度信息。

本发明的具体技术方案是：

本发明提供了一种基于光学渡越辐射的皮秒级脉冲电子束测量装置，该装置包括加速器、加速器同步系统、稳压电源、PS级脉冲电源、示波器、OTR屏以及时间拉伸真空漂移管；

加速器出射电子，OTR屏放置在电子的行进方向上，用于产生电子束团的渡越辐射光；

时间拉伸真空漂移管放置在渡越辐射光的反射路径上；

时间拉伸真空漂移管包括玻璃管壳，玻璃管壳内依次设置的光阴极、漂移区、漂离区和阳极；

漂移区接有第一电极，第一电极与稳压电源连接；

漂移区与漂离区之间通过设置有一个中心开设通孔的隔板，该隔板上接有第二电极，第二电极与PS级脉冲电源连接；

阳极接收漂离区的电子，阳极通过信号线与所述示波器连接；

加速器同步系统分别与加速器、PS级脉冲电源连接，用于控制时间拉伸真空漂移管中电子束团到达隔板时，PS级脉冲电源的斜坡电压开始进行加载；

示波器上根据接收漂离区的电子形成脉冲波形信号。

进一步地，所述OTR屏采用石英玻璃制作，其反射面镀铝。

进一步地，石英玻璃厚0.5mm，铝层厚0.5um。

基于上述对测量装置的结构描述，现对采用该测量装置进行测量的方法进行详述：

【1】加速器同步系统分别向加速器和ps级超快脉冲电源发送同步信号；

OTR屏接收加速器产生的电子束流，激发出OTR辐射光；

稳压电源在漂移区加载直流稳定的加速电压；

【2】OTR辐射光通过光阴极转换为电子；

【3】电子进入漂移区，电子在加速电压的作用下加速；

【4】当电子到达隔板处的通孔时，ps级脉冲电源向隔板处加载斜坡电压，在斜坡电压作用在进入所述通孔的电子上，使得电子在该间隙处于减速状态，先到的电子受到的减速电压较低处于较小减速状态，后到的电子受到的减速电压高处于较大的减速状态，从而将电子的时间信息转成了电子的能量信息；

【5】电子进入漂离区后，速度不同的电子空间间距逐渐拉开，实现了电子束团的拉伸；

【6】阳极接收漂离区内前向的电子，并在示波器上形成脉冲波形信号，之后通过示波器的脉冲波形信号的宽度除以当前条件下的时间放大倍数M，计算反推出电子束团长度，

进一步地，时间放大倍数M的具体的计算公式是：

其中m为电子质量，e为电子电荷量，L为漂离区长度，T₀为未拉伸前电子束团脉宽，U₀为漂移区电压大小，U₁为漂移区与漂离区间隙的电压大小，Tr为脉冲电压上升时间。

相对现有技术，本发明的有益效果有：

1、基于OTR辐射转换技术和时间拉伸技术测量ps级电子束束团长度，实现基于单脉冲的电子束团高时间分辨无损测量，原理可行，装置较简单，可应用于多种超快电子束团的测量场景。

2、基于时间拉伸技术的超快脉冲测量技术为ps超快脉冲辐射测量提供新的思路和技术路径，该方法可以拓展到更多的超快测量领域，比如用于惯性约束核聚变(ICF)和新型激光等离子体辐射源的诊断等。

附图说明

图1为基于条纹相机的测量束长的示意图；

图2为单光子计数法测量束长的示意图；

图3为零相位法测量束长的示意图；

图4为电光采样法测量束长的示意图；

图5为时间拉伸系统原理图；

图6为本发明提供的测量装置的结构示意图；

附图标记如下：

1-加速器、2-加速器同步系统、3-稳压电源、4-PS级脉冲电源、5-示波器、6-OTR屏、7-时间拉伸真空漂移管、71-玻璃管壳、72-光阴极、73-漂移区、74-漂离区、75-阳极、76-隔板。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明的技术方案做出更加详尽的描述：

本发明提出了一种基于“光学渡越辐射(OTR)+时间拉伸漂移管+示波器”的方案对皮秒级秒冲电子进行测量。该方案的基本设计原理来源于渡越辐射技术以及时间拉伸技术。

渡越辐射技术，是匀速直线运动的点电荷在不均匀介质中产生的辐射。渡越辐射的频谱很宽，覆盖了微波、太赫兹、红外、可见光、紫外以及X射线波段，其中可见光波段的渡越辐射，被称为光学渡越辐射(Optical Transition Radiation)，简称OTR。光学渡越辐射的突出优点是作用时间快，与切伦科夫辐射作用时间类似，均是fs量级，超快性能远远超过了基于光电效应、康普顿效应和电子对效应的辐射转换机制。光学渡越辐射的发射角具有极强的方向性，一方面方便探测器在不同距离上的接收，另一方面方便对其他本底的屏蔽。光学渡越辐射的光谱范围为可见光，可以方便用光电器件接收，使用不同增益的光电器件，可以实现不同强度的探测，测量动态范围大。

时间拉伸技术基本原理是将光阴极产生的光电子在斜坡电场下加速，时间上先发射出来的电子将以更快的速度漂移，后发射的电子以更慢的速度漂移，经过漂移区后，电子束团在空间上变得更长，相当于时间上进行了纵向拉伸，如图5所示。

如图6所示，本发明的提供的测量系统的结构如下：

该测量系统包括加速器1、加速器同步系统2、稳压电源3、PS级脉冲电源4、示波器5、OTR屏6以及时间拉伸真空漂移管7；

加速器1出射电子，OTR屏5放置在电子的行进方向上，用于产生电子束团的辐射光；其中，OTR屏6采用石英玻璃制作，其反射面镀铝。石英玻璃厚0.5mm，铝层厚0.5um；

时间拉伸真空漂移管7放置在辐射光的反射路径上；

该发明的核心部件是时间拉伸真空漂移管7，时间拉伸真空漂移管7包括玻璃管壳71，玻璃管壳71内依次设置的光阴极72、漂移区73、漂离区74和阳极75；漂移区73接有第一电极，第一电极与稳压电源3连接；

漂移区73与漂离区74之间通过设置有一个中心开设通孔的隔板76，该隔板76上接有第二电极，第二电极与PS级脉冲电源4连接；

阳极75接收漂离区74的电子，阳极75通过信号线与所述示波器5连接；

加速器同步系统2分别与加速器1、PS级脉冲电源4连接，用于控制时间拉伸真空漂移管7中电子束团到达隔板76时，PS级脉冲电源的斜坡电压开始进行加载；

示波器5上根据接收漂离区74的电子形成脉冲波形信号。

基于上述对测量系统的结构描述，现对采用该系统进行测量的方法进行介绍：

步骤【1】加速器同步系统分别向加速器和ps级超快脉冲电源发送同步信号；

OTR屏接收加速器产生的电子束流，激发出OTR辐射光；

稳压电源在漂移区加载直流稳定的加速电压；

【2】OTR辐射光通过光阴极转换为电子；

【3】电子进入漂移区，电子在加速电压的作用下加速；

【4】当电子到达隔板处的通孔时，ps级脉冲电源向隔板处加载斜坡电压，在斜坡电压作用在进入所述通孔的电子上，使得电子在该间隙处于减速状态，先到的电子受到的减速电压较低处于较小减速状态，后到的电子受到的减速电压高处于较大的减速状态，从而将电子的时间信息转成了电子的能量信息；

【5】电子进入漂离区后，速度不同的电子空间间距逐渐拉开，实现了电子束团的拉伸；

【6】阳极接收漂离区内前向的电子，并在示波器上形成脉冲波形信号，之后通过示波器的脉冲波形信号的宽度除以当前条件下的时间放大倍数M，计算反推出电子束团长度。

其中，时间放大倍数M的具体的计算公式是：

其中m为电子质量，e为电子电荷量，L为漂离区长度，T₀为未拉伸前电子束团脉宽，U₀为漂移区电压大小，U₁为漂移区与漂离区间隙的电压大小，Tr为脉冲电压上升时间。这里取L＝0.5m，U₀＝2000V，U₁＝2000V，T₀约10ps，T_r＝150ps，得到M＝65，满足设计要求。