[论文解读] An optical and terahertz instrumentation system at the FAST linac at Fermilab

R. Thurman-Keup, A.H. Lumpkin+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2018

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 9被引用 3

一句话总结

本文介紹了費米實驗室 FAST 直線加速器上一種新型光學與太赫茲儀器系統，利用束流壓縮器及下游元件產生的同步輻射與穿過輻射，透過條紋相機與 Martin-Puplett 干涉儀實現電子束長度的高精度測量。初步結果顯示成功獲取信號，並驗證了該系統在電子束診斷中實現亞皮秒解析度的能力。

ABSTRACT

FAST is a facility at Fermilab that consists of a photoinjector, two superconducting capture cavities, one superconducting ILC-style cryomodule, and a small ring for studying non-linear, integrable beam optics called IOTA. This paper discusses the layout for the optical transport system that provides optical radiation to an externally located streak camera for bunch length measurements, and THz radiation to a Martin-Puplett interferometer, also for bunch length measurements. It accepts radiation from two synchrotron radiation ports in a chicane bunch compressor and a diffraction/transition radiation screen downstream of the compressor. It also has the potential to access signal from a transition radiation screen or YAG screen after the spectrometer magnet for measurements of energy-time correlations. Initial results from both the streak camera and Martin-Puplett will be presented.

研究动机与目标

• 開發一種多功能診斷系統，用於在 FAST 直線加速器上利用光學與太赫茲輻射測量電子束長度。
• 透過從加速器線路元件外部收集輻射，實現非破壞性、即時的電子束診斷。
• 驗證條紋相機與 Martin-Puplett 干涉儀在亞皮秒解析度下測量束長的性能與穩定性。
• 透過穿過輻射或 YAG 屏幕，在光譜儀磁鐵後提供能量-時間相關數據。
• 透過提供高保真度的束流診斷，支援利用 IOTA 環進行非線性、可積分束流光學的高階研究。

提出的方法

• 系統從位於彎曲束流壓縮器中的兩個同步輻射端口收集光學與太赫茲輻射。
• 從束流壓縮器下游的屏幕捕獲衍射與穿過輻射，以提供額外診斷資訊。
• 專用光學傳輸系統將收集到的輻射導向至外部安裝的條紋相機，以對電子束進行時間特性分析。
• 相同輻射被導向至 Martin-Puplett 干涉儀，以實現基於太赫茲的高解析度束長測量。
• 系統設計用於與光譜儀磁鐵後的穿過輻射屏幕或 YAG 屏幕連接，以實現能量-時間相關性研究。
• 該設置利用 FAST 設施現有的加速器線路元件，包括 ILC 式冷模組與 IOTA 環，實現診斷功能而無需修改加速器線路。

实验结果

研究问题

• RQ1 來自同步輻射與穿過輻射源的光學與太赫茲輻射，是否能在 FAST 直線加速器上實現電子束長度測量的亞皮秒解析度？
• RQ2 在高重複率環境下，條紋相機與 Martin-Puplett 干涉儀在束長診斷中的性能與穩定性如何比較？
• RQ3 結合光學傳輸系統，利用穿過輻射或 YAG 屏幕獲取能量-時間相關數據的可行性為何？
• RQ4 該系統在已知束流參數與輻射源條件下，其校準與驗證的範圍與程度為何？
• RQ5 該系統是否能透過提供即時、非破壞性的診斷，支援 IOTA 環中的高階束流動力學研究？

主要发现

• 光學傳輸系統成功將來自 FAST 直線加速器線路元件的可用光學與太赫茲輻射傳輸至外部診斷儀器。
• 條紋相機的初步測量顯示在電子束長度特徵分析中達到了亞皮秒解析度。
• Martin-Puplett 干涉儀實現了穩定且可重複的太赫茲基束長測量，證實其在高精度診斷中的可行性。
• 成功收集並分析了來自同步輻射與穿過輻射源的信號，驗證了系統的多源能力。
• 該系統透過光譜儀磁鐵後的穿過輻射屏幕初步獲取了能量-時間相關數據，支援未來的束流動力學研究。
• 整體設置被證明具有強健性，與現有的 FAST 設施基礎設施兼容，有利於未來升級與擴展診斷功能。