激光 - 血浆电子束的主动能量压缩

　　在激光 - 浮肿加速器1中 ，高强度激光脉冲与等离子体的相互作用产生了尾随密度调制，等离子体波支持电场比现代RF加速器腔所提供的数量级大几个数量级。血浆波可以正确控制
，可以从等离子体背景中捕获电子，然后加速良好的相位空间体积 ，从而导致高度相对论的高光度电子束
，仅来自一个厘米尺度的等离子体 。 　　近年来，该领域取得了迅速的进步。A series of landmark experiments demonstrated advanced concepts to generate and characterize high-brightness beams10,11,12,13,14,15, new laser guiding concepts have extended the interaction length of laser and plasma to result in electron beams of GeV and higher energies5,6,7,8,9, first steps towards continuous operation have been made16 and, recently, the long anticipated first gain from a报道了血浆驱动的自由电子激光17
。 　　但是 ，当今激光 - 播加速器的可重复性和稳定性仍然不如现代RF机器发达。这可以与等离子腔的微米尺寸相关联
，这导致极端加速的磁场和固有的短秒二秒电子束持续时间，但也使精确控制注入和加速过程变得非常具有挑战性 。此外 ，每次激光射击都会产生一个新的等离子体腔
。由于血浆腔本质上是由激光的辐射压力形成的
，因此驱动脉冲的细微变化也会导致变化的血浆腔，从而改变加速度场和动力学。 　　所得的百分比能量扩散和通常与激光 - 血浆电子束相关的能量抖动特别有害 ，并且仍然有效地防止激光 - 血浆加速器成为可行的替代加速器技术 。例如
，自由电子激光器需要封闭级的能量扩散光束18，而同步子源的注射器具有紧密的一％级别的能量接受19,20
。更一般而言 ，将大型能量传递从加速器传输到应用可能会导致不良色效应，从而迅速降低相互作用点可用的光束质量。 　　为了应对这些挑战
，量身定制的驱动激光系统21和主动稳定技术的部署预计22,23,24有望提高未来激光 - 脱皮器的性能，但是这些概念的实施仍然具有挑战性 。 　　一种更基本的方法是通过利用其固有的短束持续时间和高峰值电流来提高激光 - 血浆电子束的光谱特性
。 　　例如 ，提出了一种减压技术25,26
，该技术纵向拉伸以引入能量 - 位置相关性（CHIRP），从而以峰值电流为代价局部降低能量。该技术使最初能量扩散激光 - 铂电子束27的播种自由电子激光的演示能够证明 ，尽管该概念的可扩展性超出了原理证明实验尚不清楚 。 　　其他技术基于被动结构
，以去除解压缩束的能量呼叫
。在这些解冰器中，电子束与波纹管28 ，介电结构29或质量30,31,32,33的相互作用驱动了有效消除相关能量扩散的电场。但是
，由于电子束本身驱动了被动的脱水剂，因此任何束长度 ，电荷或电流轮廓的微小变化也会影响脱发结果
，并且由于它们也无法纠正梁的能量抖动，因此仍然存在稳定性问题 。 　　最近 ，有人提议在减压34,35,36,37之后添加加速，即活跃的结构
，以大大减少相关能量传播和能量差异38,39，从而解决了以前的概念的缺点 ，并提供了激光 - 普拉斯马赋予的电气镜头
，并提供了未经验证的质量。 　　在下文中，我们在实验上首次证明了我们的知识 ，激光 - 铂生成的电子束的主动能量压缩
。我们将梁光谱性能提高了不仅仅是一个数量级
，并证明了以前仅与现代RF加速器相关的性能。 　　我们的能量压缩方案如图1所示 。激光 - 血浆加速器提供了几种数量的数量，可提供多个微量的峰值电流电子束（图1A） ，这是数％的能量扩散和能量抖动（方法）
。 　　激光 - 等离子加速器之后是磁性斜肌。在这里
，第一个偶极子引入了能量依赖性挠度角 。然后，电子轨迹与第二个反场的第二偶极子平行
。第三和第四个偶极子关闭对称性 ，并将光束放回设计轴上。因此
，Chicane引入了能量依赖性的路径长度差异，这些差异有效地纵向拉伸（图1B）并诱导能量位置相关性（能量chirp） 。 　　弯曲后 ，梁穿过加速的RF腔，其中加速场的正梯度取消了先前诱导的能量呼叫（图1C）
。通过这种机制
，设置还消除了能量抖动：电子光谱被压缩到电子能量，该电子能量与RF场的零交叉重叠重叠（图1D）。 　　理想情况下 ，梁的能量扩展与束拉伸成比例地减小
，这可能是两个以上的数量级 。然而，实际上 ，Chicane和正弦RF场引入的能量呼叫均具有限制能量压缩的较小但不可忽略的非线性术语
。然而
，即使包括那些非线性贡献，也很容易降低能量传播的降低超过数量级（方法）。因此 ，该方案非常适合等离子体加速器提供的短
，高电流电子束，并且仅需要中等峰值电流的应用 。 　　我们已经在Lux激光 - 播加速器上通过实验证明了这一概念。驱动激光器以1 Hz的重复速率在目标上提供2.2-J ，35-FS（最大最大（FWHM））脉冲
。通过与5毫米长的等离子体源的相互作用
，该设置在41 PC（13 pc RMS）电荷（13 pc RMS）的电能中提供了257兆·埃克莱克朗维尔特（MEV）的能量，典型的能量扩散为1.8％ ，能量抖动为3.5％。从模拟中，我们估算出约2 µm（RMS）的初始束长度
，对应于2.5 ka（方法）的峰值电流 。 　　目标之后，将电子传输到磁性斜肌上 ，其特征在于Chicane强度参数R56 = 100 mm
，该参数将1％的能量扩散束的长度约为1,000至1毫米，并诱导每毫米1.0％的能量呼声
。Dehirper腔（方法）是一个5米长的RF结构 ，该结构在10厘米波长（S频段）下运行
，可以将梁的能量更换约50 MEV。 　　解剖后，将电子束发送到光谱仪中 ，并用偶极磁铁分散到闪烁的屏幕上
，以记录0.07％阶的分辨率（方法）的能量光谱 。在图1中未显示，我们在整个设置中实施了多个诊断 ，包括闪烁的屏幕
，以测量电子束横向轮廓和光束位置监测器，以无创测量横梁位置和电荷（方法）
。 　　首先 ，我们计算了RF振幅以删除能量呼吸，即R56 = 100 mm的Chicane为45.4 mV（请参阅方法）。然后
，我们扫描了RF相，以压缩电子束能量（见图2） 。 　　当我们扫描相位时 ，中值电子束能遵循正弦RF场（红点）
。 　　在0°时
，束以RF电场的零交叉处为中心（图2A）。束头部的电子被减速，而束背面的电子被加速 ，有效地减少了鸣叫
，因此能量扩散 。相反的效果发生在±180°的阶段，在±180°的阶段倒置的斜率是倒的：现在加速了束头部的电子 ，而束束背面的电子被减速
，有效地增加了嘶嘶声并扩大了光谱
。在±90°的左右，束分别减速和加速 ，这会移动能量谱。 　　值得注意的是
，我们发现最小的能量不是在0°，而是在-23.6°的略微移位相位（图2B） ，可以理解如下 。Chicane的二阶分散体增加了线性能量呼叫的小曲率。因此，我们需要操作略低于0°的RF
，在该RF的小曲率下，RF场的较小曲率只能补偿非线性chir（方法）
。相反 ，RF场在0°下工作
，几乎是线性的，无法补偿chirp的曲率 ，从而导致较大的能量扩散。通常
，由于这些非线性，可以通过分析（方法）计算出一对唯一的振幅和相位 ，并导致最小的能量扩散 。 　　在最低能量扩散的最佳设定点处
，我们在RF关闭时记录了大约1,000张照片，如图3所示
。 　　随着RF的打开（图3A） ，能量抖动从3.5％降低到0.048％
，而能量扩散降低了18倍，从1.8％降至0.097％。在-23.6°的阶段运行 ，完全能量压缩的光束从中值257 MeV（RF OFF）转移到275 MeV（RF ON） 。能量压缩的光束的平均电荷为32 PC（12 PC RMS）
。峰光谱密度高达每MEV 70 pc。所有镜头中约有50％具有亚植物能量扩散（扩展数据图1） 。一些镜头被压缩到较小至0.068％的能量，这是我们电子光谱仪的估计分辨率极限
。通过压缩
，中位能量的±1％窗口内提供的电荷从18.1％提高到99.9％。 　　这些结果对应于实验中最佳的能量压缩设置，但我们可以进一步探索设置的不同功能 。 　　例如 ，拉伸电子束越来越降低能量呼吸
，从而降低了所需的RF振幅，从而有能力操作腔
。随后较长的一堆覆盖了RF的较大阶段 ，非线性将降低能量压缩性能。我们测试了这种行为（R56 = 170毫米
，振幅28 mV），并且仍然可以减少能量抖动并分别扩散到0.09％和0.13％ ，而消耗较小的RF功率的一倍 。 　　此外
，我们可以改变RF相，以在几％的范围内微调目标能量 ，而不会显着丧失压缩性能。 　　总而言之
，我们的设置为电子束提供了能量抖动的性能，并以前仅从现代RF加速器获得的传播 ，从而开放了激光 - 超级加速器技术的广泛部署
。 　　这种能量压缩的激光 - 血压电子束的重要应用是未来同步器存储环的注射器。该应用程序充分利用了我们今天已经提供的Picsecond级，几束封底能量传播和抖动 。直接存储环注射（如最近提议的20）通常需要GEV级电子束
。最近的工作已经表明
，使用高级激光引导方案可扩展驱动激光器和等离子体的相互作用长度，可提供高达10 GEV束能量的激光 - 血浆加速器5,6,7,8,9。此外 ，使用X波段RF技术
，能量压缩设置可以扩展到更高的光束能量，而无明显增加的足迹20,39 。随着高效率 ，高平均功率激光驱动器的进一步发展
，基于等离子体的喷油器可能会成为RF Technology20的紧凑而节能的替代品
。 　　需要较高光束电流的其他应用可能会使用X频段RF Technology39或等离子体39的更强的脱夹梯度，以改善梁光谱性能 ，同时保持峰值电流。