高亮度电子束纵向特性测量的电光方法研究

发布时间：2020-08-26 03:40

【摘要】：在以高亮度电子束作为驱动的装置中,对电子束纵向特性的测量是束流诊断中的前沿和热点,如对百飞秒及以下超短束团纵向分布的测量是短波长自由电子激光中衡量峰值流强和装置性能的基本方法,束流到达时间抖动会影响泵浦探测技术中的时间分辨率、直线对撞机中的对撞效率、汤姆逊散射X射线源中光子产额的稳定性。电光诊断技术可以同时实现束团纵向分布和到达时间的单次、非拦截式、高分辨率测量。本论文正是在此背景下,以清华大学汤姆逊X射线源装置作为实验平台,对电子束纵向特性测量的电光方法开展了深入的理论、模拟和实验研究。本论文首先研究了电光诊断技术中的光谱分辨探测。我们设计并搭建了紧凑、在线的光谱分辨电光束测装置,实现了束团纵向分布和到达时间单次、非拦截式的电光测量。实验中测量得到的束团长度为527fs rms,束流相对于激光的到达时间抖动为471fs rms。论文分析了测量过程中的分辨率、信号量大小、稳定性等问题,研究了作为时间分辨率主要限制因素的探测激光带宽与啁啾对测量结果的影响,并提出了一系列的改进方案,如探索空间分辨的测量方式、使用光谱更宽的探测激光、采用响应截止频率更高的电光晶体、减小探测距离等。本论文研究的另一种电光诊断技术为空间分辨探测。我们首先针对空间分辨探测中激光斜入射导致的探测距离随时间变化的固有问题,研究了电光信号强度与探测距离之间的变化关系,为束团纵向分布的修正提供实验和理论依据。随后我们比较了碲化锌和磷化镓两种电光晶体的测量效果与差异,直接测量得到的束团长度分别为106fs rms和82fs rms。论文经过分析认为电光晶体晶格共振导致的响应截止频率和低能束流下的库仑场展宽限制了时间分辨率的进一步提高。论文提出了消除库仑场展宽的影响从而获得真实束团长度的方法,并得到了～60fs rms的束长测量结果。在束流到达时间的测量中,空间分辨探测的测量精度达到了～10fs。通过对时间抖动和实验环境条件的频谱分析,我们发现激光室的温湿度变化是引起慢漂的主要来源,并精确分辨出温度与湿度对各慢漂成分的贡献。基于电光方法获取的到达时间信息,我们完成了在线反馈抑制慢漂、减小时间抖动的验证性实验,将抖动从430fs rms减小到320fs rms,相应的慢漂成分从335fs rms降低到110fs rms。
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TL50

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本文编号：2804632