最短的电子束团

　　斯坦福直线加速器中心（SLAC）利用长2英里的直线加速器（Linac）、束团压缩磁铁和尾场效应，产生了世界上最短的电子束团：长12 微米，脉宽80飞秒。

　　在2003年5月的第一次运行期间，亚皮秒脉冲源（Sub-Picosecond Pulse Source）（SPPS）产生高电流和超短电子束团，并把它们变成非常亮和超短X射线光脉冲。直线加速器首次产生的X射线比斯坦福的正负电子储存环（SPEAR）产生的X射线波长短1000倍，从而可以直接观测物质中的原子运动，这是以前从来没有过的。

　　为了获得足够有意义的数据，物理学家们总是把几十亿的电子压缩成束团。现在，控制束团的形状和尺寸的本身已经变的像一门科学。

　　亚皮秒脉冲源靠几种技巧压缩束团，（这些束团有210亿个电子）旨在达到30千安的峰值电流（比家庭保险丝的电流大约1000倍）。加速器物理学家Patrick Krejcik说：“SLAC直线加速器能量从始至终的大幅度的提高，使我们能够像做体操那样将束团旋转和压缩，以达到最后这样的小的尺寸。”

　　旋转和压缩束团分3个阶段进行，从束团离开靠近直线加速器开始部分的阻尼环（Damping Rings）算起。在那里，束团沿着环到直线加速器（RTL）光束线的曲线运转，并从6厘米压缩到1.2厘米。

　　为压缩电子束团，亚皮秒脉冲源在波峰值以下对其进行加速（如顶右图所示）。这样，束团的一端比另外一端具有更多的能量。当束团经过束团压缩磁铁时，其能量较低的头部走较长的路（如上左图所示），尾部追赶（如上右图所示），从而有效地将束团旋转为更短。

　　通常情况下，直线加速器在波峰值时对电子束团进行加速，与在海浪尖上冲浪一样。在冲击斜坡时，可对束团加以调整。在波的倾斜处，当坡度下降时，束团接收到较少的能量。在阻尼环到直线加速器这一段里，束团像个爬波的冲浪者：束团的前端比后端具有更多的能量（也就是说，更接近峰值）。通过弯转磁铁的弯道时，低能尾部走最短的路，并追赶头部，从而使束团更短。

　　束团压缩的第二步在第10段的压缩磁铁进行。第10段的压缩磁位于直线加速器的三分之一处，电子在这里的能量已被加速到9 GeV，束团被倾斜，稍处于波峰值之前，所以后端比前端加速得更多。进入束团压缩磁铁后，较高能量的尾部能够走最短的路，并再次追上，从而将束团压缩到50微米。Paul Emma计算这正是使束流弯转的地点。Lynn Bentson监督了束团压缩磁铁的安装，Cherrill Spencer设计了束团压缩磁铁。他在设计这些磁铁时采取了一种方法，不让束团中有任何光相位差。

　　压缩束团的最后一步只有在SLAC才能做到，即沿其余1.3 英里的直线加速器获取能量和采用以前认为讨厌的效应。电子束团以光速运行时产生尾波（与船形成的尾波相同），称为尾场。在自由空间里，尾波将向垂直于电子运行的轨道展开，但在束流管道里，束团头部形成的尾波从管道上反射并干扰尾部。

　　因此，束团到达直线加速器尾部时，尾部的能量比头部少。幸运的是，束团可通过最终聚焦测试束流（FFTB）发送（图中的Final Focus Test Beam）。在FFTB处，束流线先向右然后向左微动。这一几何关系迫使能量较高的前部走较长的路，尾部紧跟。在这里，束团已经再次旋转，现在是12 微米长。在这一长度，210亿个电子的束团在一固定点处于80飞秒内发生旋离。（右下图为FFTB）

　　Krejcik说：“我们需要一种测量束团长度的方法，所以工程的第二部分正在发明新的技术，以便在亚皮秒的时间范围内进行测量。”

　　亚皮秒脉冲源合作组修复了20世纪60年代首次在此使用的使束流向垂直方向偏转的专用加速腔，并将其插入到束流线里。当速调管将其打开时，该横向偏转腔通过在屏幕上垂直对其扫描对束团取样。束团长度为50微米时，在屏幕上垂直的长度给出束团长度的投影。该合作组正在开发光电取样技术，借鉴世界上快速激光技术，以测量最后聚焦测试束流中的束团。

　　亚皮秒脉冲源将在下两个财政年度运行，从产生亮度更高的X射线的直线加速器相干光源（自由电子激光）(左图为LCLS的示意图)取数据，超短束团也将用于E-164实验。

　　（高能所科研处制作 内容由侯儒成译自2003年8月15日斯坦福直线加速器中心网上发布的消息）

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