说明
本次文献翻译包含了两个部分，第一部分是翻译了Helmut Wiedemann《粒子加速器物理——基本原理和线性光束动力学》一书中的1.2.2节——加速器设施的基本组件；第二部分是2011年暹罗物理大会上的《光注入器测试设备中电子源特征诊断系统》一文。
第一部分 加速器设施的基本组件
粒子加速器由两个基本单元组成，即粒子源或喷射器和主加速器。粒子源包含所有组件以生成所需类型的粒子。
通常使用辉光放电柱来产生质子或离子束，然后首先在静电加速器中加速，如Van de Graaff或Cockcroft-Walton加速器，然后在Alvarez型线性加速器中加速。为了增加重离子束的能量，初始单电荷离子在一定加速度之后被引导通过薄金属箔以从离子中剥离更多电子。在不同的能量下可以使用多于一个的剥离阶段以达到最有效的加速的最大电离。
必须使用更多精细的措施来制造反质子。通常，高能质子束瞄准重金属靶，其中通过与目标材料之间的强子相互作用产生反质子。从目标出现，这些反质子通过强聚焦装置收集并进一步加速。
电子通常由加热阴极产生，也称为热电子枪，其通过特定的碱金属氧化物或任何其他具有低逸出功物质在表面上覆盖，以在技术上可行的温度下发射电子。在短脉冲内产生大量电子的另一种方法是使用类似于YaG激光的强激光脉冲直接指向光阴极表面。将阴极直接插入加速射频区域的系统被称为射频枪。正电子被创造出的方式与反质子相同的，将高能电子瞄准重金属靶，通过电磁式淋浴和成对生产产生正电子。这些正电子再次被强磁场收集并进一步加速。
无论产生粒子的方法是什么，通常它们都不具有进一步加速或特殊应用所需的时间结构。射频场的有效加速仅在每个振荡周期的很短时间内发生，大多数粒子在没有适当准备的情况下会丢失。对于高光束密度，需要借助斩波器装置和群聚腔将来自热离子枪或辉光放电柱的连续颗粒流压缩成更短的脉冲。斩波器可以是机械装置或偏转磁场或射频场，其将连续光束移动穿过狭缝的开口。在斩波器的出口处，我们观察到一系列称为束的束脉冲，由群聚腔进一步处理。在这里，一束中的早期粒子减速，后期粒子加速。在确定的漂移空间之后，由于粒子速度的能量依赖性，束长度减小。显然，只要粒子不是相对论的，而粒子速度可以通过加速或减速进行调制，这种压缩就会起作用。
反粒子不需要这种压缩，因为它们是由具有适当时间结构的高能粒子产生的。然而，从目标出射的反粒子束具有较大的光束尺寸和光束发散度。为了使它们适合进一步加速，它们通常会在冷却或减震环中储存一段时间。这样的冷却环是圆形的“加速器”，其中颗粒不加速，但花费一些时间循环。在这样的存储环中循环的正电子通过发射同步辐射很快失去其横向动量和较大的光束发散。在反质子情况下，应用外场来抑制横向光束的大小。
反粒子并不总是大量产生。另一方面，转换目标之前的加速器通常可以比主加速器接受更高速率的注入脉动。在这种情况下，将反粒子从快速循环的喷射器收集到储液器环中，然后在需要时转移到主加速器。
现在可以在线性或环形加速器中进一步加速以这种方式制备的粒子束。直线加速器由许多加速单元的线性序列组成，其中加速场被生成并定时，使得粒子吸收并累积来自每个加速单元的能量。最常用的线性加速器由一系列由射频源激励到高加速场的腔体组成。在感应加速器中，每个加速单元由变压器组成，该变压器从外部电脉冲产生在变压器次级上的电场，变压器次级允许粒子束加速。这种感应加速器可以被优化以在中等光束能量下加速非常高的射束电流。
对于非常高的光束能量，线性加速器变得非常长和昂贵。类似于线性加速器中的那些，在圆形加速器中可以避免这样的实际问题，其中通过弯曲磁体中的磁场将光束保持在圆形路径上，每次通过加速部分重复地通过弯曲磁体中的磁场。通过这种方式，粒子在每次转动时从加速腔获得能量，并在达到最大能量的同时，弯曲磁体的磁场同步升高。这种圆形加速器被称为同步加速器。
加速不同类型粒子的基本原理是相似的，我们不需要区分质子，离子和电子。从技术上讲，加速器或多或少地有所不同，以适应主要与粒子速度有关的特定束参数。对于高度相对论的粒子，光束动力学的差异消失。质子和离子更可能是非相对论性的，因此随着动能增加而改变速度，由此产生与振荡加速场同步的问题，这些必须通过技术手段来解决。
在直线加速器或同步加速器中加速后，可以将光束导向目标，主要是液态氢的目标，以研究与目标质子的高能量相互作用。这种固定目标实验从70年代人工加速粒子束的首次应用开始主导了核能和高能粒子实验，并且仍然是基础研究的宝贵手段。显然，它也是与重金属靶相结合的方法，用于产生二次粒子如反粒子，用于碰撞射束设备和介子以进行基础研究。
为了提高基础研究的质量中心能量，粒子束不是针对固定目标，而是与另一个束碰撞。这是建造碰撞束设施或储存环的主要目标之一。在这样的环中，粒子和反粒子束以相反的方向注入，并在特别设计的离散区域中碰撞。由于反轨道粒子之间的相互作用非常罕见，因此存储环的设计允许光束循环多次，光束寿命为几个小时，以使颗粒有足够的机会与另一个反向旋转颗粒发生碰撞。当然，只有当一束光由另一束的反粒子构成时，束才能在相同的磁场中反向旋转。同时必须使用两个相交的存储环以允许具有相同电荷的粒子的碰撞。
由于弯曲磁体中的横向加速度，电子存储环中的循环光束在偏转期间发射同步加速器辐射。这种辐射在正向上高度准直，具有高亮度，因此对基础研究，技术和医学极为重要。
基本上，储存环的设计与同步加速器的设计相同，允许在技术实现方面进行一些调整，以分别优化加速和长光束寿命的期望特征。同步加速器中的光束强度通常与存储环中的强度大不相同。在同步加速器中，粒子强度由喷射器确定，并且该强度远小于储存环中的期望值。因此将注入系统设计成存储环，以便可以累积来自线性加速器，累加器环或同步加速器的许多束脉冲。用于将来自低能量前置注射器的光束加速到主设备的注入能量的同步加速器也可称为助推器同步加速器或简称助推器，其可以是更大的同步加速器或存储环。
尽管储存环不用于粒子加速，但是经常出现的情况是，储存环在喷射器系统之后经过较长时间并且为了更高的射束能量而构建。在这种情况下，光束以最大可用注入能量累积。累积后，束能量在储存环中缓慢升高至设计能量。
电子正子储存环在基础高能研究中发挥了重要作用。然而，对于更高的碰撞能量，由于同步辐射引起的能量损失已经成为实际和经济的限制。为了避免这个限制，来自两个相对的线性加速器的光束在能量远高于循环加速器中产生的能量的情况下被碰撞到头部。为了与碰撞波束存储环的研究能力相匹配，这种线性对撞机必须采用先进的光束动力学，重点布局和技术，这些技术目前尚未开发，并且正在开发中。
第二部分
暹罗物理大会SPC2011
2011年3月23日至26日
光注入器测试设备中的电子源特征诊断系统
摘要
在DESY, Zeuthen site 的光注入器测试设备(PITZ)，已经被设计和建立为直线自由电子激光器的光注入器的测试标准。在汉堡(FLASH)和欧洲x射线自由电子激光器(欧洲XFEL)中，有几种诊断系统用于研究和优化电子源。最后一个运行周期的表征和实验结果表明，以平均射频功率为50kw运行的电子枪可以实现。这对应的峰值功率水平为7兆瓦、射频脉冲长度大于700微妙、重复率为10赫兹。1nC的电荷束流在横向方向上的归一化投影发射率的最小测量几何平均值为0.89mm-mrad。这一数值表明，在PITZ中可以实现欧洲XFEL的光注入器所需的归一化横向投影发射度。本文概述了PITZ的组件和诊断以及一些实验结果。
关键词：自由电子激光，光注入器，光阴极射频枪，电子束诊断
图1、包括电子枪、增压腔、色散臂（DISP），屏蔽站
和发射率测量系统（EMSY）在内的当前PITZ束线原理图
1介绍
在短波自由电子激光（FEL）技术中，光注入器的发展被认为是最重要的挑战之一。对于FEL源主要的要求是能够在纵向和横向相空间中产生具有高质量的电子束。在DESY(PITZ)的光注射器测试设施的主要目标是开发，表征和优化汉堡自由电子激光器（FLASH）和欧洲x射线自由电子激光器（欧洲XFEL）的电子源。
切片横向归一化发射率和切片峰值电流是定义自放大模拟发射（SASE）FEL过程的增益的重要参数。在电子束进入波荡器之前，峰值功率，纵向束长度或能量扩展可以在束传输线中稍后修改或改进。 相反，横向归一化的发射度必须从喷射器源优化，因为在光注入器退出后它不能进一步改善。欧洲XFEL在波荡器入口处的束电荷为1nC时所需的横向发射度为1.4mm-mrad。在0.9mm-mrad的光注入器出口处的归一化投影横向发射率可以满足该值。因此，优化标准化横向发射率是PITZ研究活动的主要目标。欧洲XFEL还要求占空因数为每秒32500个脉冲的电子束，这意味着在650mu;s脉冲串中以5MHz的频率使用1nC微脉冲，重复频率为10Hz。这种高占空比电子束的生产也是PITZ的另一个目标。
2装置和波束参数
目前的PITZ装置(图1)由一个1.6单元的普通导电谐振频率(RF)枪一个由Yb：YAG光电阴极激光系统驱动的Cs2Te光电阴极组成，，一个用于后加速的普通导电增强腔，以及几个用于表征电子束特性的诊断系统。枪和增压器使用分离的L波段（1.3GHz）射频功率系统。
枪炮的周围环绕着主和逆螺线管磁铁，用于空间电荷补偿。在2008-2009年运行期间的调节结果显示，该枪可以在射频平均功率超过50kW的情况下运行，对应于在大于700us的平顶射频脉冲长度下有超过7MW的峰值功率，重复频率为10Hz。阴极处的最大加速梯度约为60MV/ m，导致约6.8MeV/c的最大动量增益。
一个新的Yb:YAG激光系统由Max-Born-Institute (MBI)开发，并于2008年安装在PITZ。它能够产生多达800个微脉冲的紫外激光脉冲序列，间隔为1微秒脉冲。该激光系统可产生时间平顶形状，最大长度为24psFWHM，上升和下降时间短至2ps的脉冲。可以在2-24ps之间调整脉冲长度以研究脉冲长度对电子束性质的影响。参考文献[3]描述了这种新型激光系统的细节。
在2008-2009年的设置中，增压腔是普通的9芯铜谐振器。它是作为特斯拉超导传导加速腔的原型而建立的。增强器的标准操作参数在10Hz重复频率下具有70mu;s的脉冲长度和〜2MW的峰值功率。这些运行条件导致了〜8MeV/c的动量增益。
在2009-2010的停产期间，PITZ已经安装了一个与前一个设计和清洁程序相同的新型枪腔作为新电子源。为了研究助推器加速后束流传输线上的小发射束的保守性，特斯拉型助推器腔被替换为新的切割盘结构（CDS）助推器，其可以提供更高的能量增益并且不降低束质量。目前正在调整和研究这种新增压腔的运行条件。
3 PITZ的束流诊断
3.1束流电荷
电子束电荷是使用集成电流互感器（ICT）或法拉第杯来测量的。ICT是一种非破坏性设备，但它在测量小群体费用方面存在分辨率限制。法拉第杯可用于测量非常小的电荷，但也可将光束停在测量位置。使用ICT或法拉第杯的选择取决于测量目的。
3.2束流的大小，形状和位置
在束流传输线上安装了多个配备CCD相机的屏幕站，用于监测束流大小，束流形状和束流位置。每个屏幕工作站由闪烁屏幕组成：Ce掺杂钇铝石榴石（YAG）粉末涂层和/或光学转换辐射（OTR）屏幕。两条线扫描仪和一个使用CVD金刚石的新屏幕站（筛分站）已安装在升级的束流线上，用于监测长脉冲列车。
此外，还安装了一些波束位置显示器(BPM)，用于观察相对于中心轨迹的横梁横向位置。与屏幕相比，该装置是一种无损的光束位置监视器。
3.3束流动量和纵向相空间
为了研究纵向相空间，使用偶极磁体和下游观察屏幕的组合在光谱仪上测量束动量和动量扩散分布。通过使用条纹相机分析来自动量谱的切伦科夫光来测量完整的纵向相空间。
目前PITZ设置中有三个分散臂。第一个色散臂（DISP1）由一个偶极磁铁和一个下游屏幕站组成，用于测量从枪中射出的电子束的动量。通常，气凝胶被用作切伦科夫辐射的来源以测量纵向相空间分布。
第二个色散臂（DISP2）用于测量加速器加速后的动量，动量扩展，纵向相位空间和横向片发射率。它结合了一个偶极磁铁，它简化了动量测量的重建，在偶极的出口有一个裂口
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