基于光学渡越辐射的皮秒级脉冲电子束测量装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

Picosecond Pulsed Electron Beam Measurement Device and Method Based on Optical Transit Radiation

【技术实现步骤摘要】
基于光学渡越辐射的皮秒级脉冲电子束测量装置和方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中现有电子束团长度测量存在缺陷，本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的具体技术方案是：本专利技术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，本专利技术的有益效果有：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；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光学渡越辐射的皮秒级脉冲电子束测量装置，其特征在于：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位置时，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。

【技术特征摘要】
1.一种基于光学渡越辐射的皮秒级脉冲电子束测量装置，其特征在于：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位置时，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。2.根据权利要求1所述的基于光学渡越辐射的皮秒级脉冲电子束测量装置，其特征在于：所述OTR屏采用石英玻璃制作，其反射面镀铝。3.根据权利要求2所述的基于光学渡越辐射的皮秒级脉冲电子束测量装置，其特征在于：石英玻璃厚0.5mm，铝层厚0.5um。4.一种基于光学渡越辐射的皮秒级脉冲电子束测量方法，其特征在于，采用...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭新建，翁秀峰，魏坤，黑东炜，李斌康，刘军，张小东，孙彬，付竹明，
申请(专利权)人：西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61