高重频自由电子激光器中L形波纹尾场结构用于束流整形的实验演示

《Physical Review Accelerators and Beams》：Experimental demonstration of an L-shaped corrugated wakefield structure for beam shaping at a high-repetition-rate free-electron laser

　　

我们首次在欧洲X射线自由电子激光（XFEL）上，利用波纹尾场结构实现了兆赫兹重复频率脉冲模式下硬X射线脉冲的电注束与X射线脉冲整形。该装置采用L形波纹结构，配合低β光学和准直器实现。通过控制电子束相对于波纹板的位置，观测到了可变的条纹扫描方向以及四极尾场补偿的特征信号。7 keV处的光谱分析表明，相比欧洲X射线自由电子激光的标准自放大自发辐射（SASE）模式，重建的X射线脉冲持续时间缩短了约4倍。在10 Hz脉冲模式下，成功产生了100个脉冲串中性质均匀的X射线脉冲，重复频率为1.125 MHz。这些结果表明，我们向以高灵活性和兼容性在兆赫兹重复频率下定制X射线脉冲的时域和谱域特性迈出了一步。

I. 引言

X射线自由电子激光（XFEL）以其前所未有的峰值亮度和高度可定制的X射线脉冲，广泛应用于广泛的科学实验。X射线脉冲特性的定制，如脉冲持续时间和辐射带宽，通常涉及通过电子束与外部激光、自诱导场以及周围环境的相互作用来整形电子束相空间。

波纹结构（CS）[1]在世界各地的XFEL设施中作为一种独特的束流整形装置被广泛应用。当电子束经过金属波纹近旁时，会产生强烈的纵向和横向尾场，从而能够选择性地控制电子束的激波部分。过去十年来的快速发展使得电子束线性和非线性能量啁啾控制[2,3]、束团片层匹配控制[4]、自种子性能的改进[5]、多色X射线脉冲的产生[6,7]、高功率软X射线脉冲[8]以及软X射线脉冲串[9]成为可能。迄今为止，所有这些波纹结构都以约100 Hz的相对较低重复频率运行。

在高频重复率下利用波纹结构实现束流整形，将为X射线科学开辟新的可能性。例如，这将使多色X射线脉冲产生[6]和多级X射线放大[8]技术扩展到更高的重复频率，从而使受激X射线发射[10]（包括放大自发辐射和种子受激辐射）产生的光子通量增加数个数量级。即使驱动器为自放大自发辐射（SASE）[16,17]，此类脉冲也可用作电子结构和动力学[11]的新型非线性X射线光谱探针，或作为高通量相干X射线源[12–15]。具有可变延迟和波长间隔的双脉冲可用于泵浦-探测实验[18]，以更高的化学灵敏度研究蛋白质中的损伤和动态有序化机制。此外，重复频率的提高可大幅减少数据采集时间，降低了对样品环境在长时间采集过程中稳定性的要求。

在兆赫兹（MHz）重复频率下实现波纹结构具有挑战性，主要原因是电子束在波纹板附近传播数米时可能产生结构损耗，这些损耗与重复频率成正比，并进一步向下游传输，导致wiggle器退化[19]。另一种方法是利用束团能量啁啾结合晶格色散[20,21]来产生较少的束流损失，其中色散通常由压缩弯折磁铁或色散传输线产生。然而，波纹结构具有灵活性和与多束线兼容性的优势，因为它不需要对束团压缩和色散段进行剧烈修改。

在本文中，我们报告在欧洲XFEL设施上首次实验演示了在脉冲模式兆赫兹重复频率下运行的波纹尾场结构。该波纹结构系统采用L形几何构型，配有专门设计的低β电子光学和准直器，在10 Hz脉冲模式下以每个脉冲串数百个束团实现兆赫兹重复频率运行。通过设置电子束与L形结构之间的相对位置来实现尾场扫描方向的控制，同时观测到了四极尾场补偿的特征信号。我们展示了利用波纹结构在高频重复率下控制XFEL脉冲持续时间的能力。我们对硬X射线光谱的分析表明，7 keV处重建的XFEL脉冲持续时间减少了约4倍。成功实现了脉冲串上均匀的X射线脉冲特性。这些结果为在兆赫兹重复频率下以高灵活性和兼容性定制X射线脉冲的时域和谱域特性提供了新途径。

II. 实验装置

欧洲XFEL的束流能量最高可达17.5 GeV，采用10 Hz脉冲模式，每个脉冲串最多携带2700个束团，重复频率为4.5 MHz[22]。脉冲串中的束团被分配到三条wiggle器线：硬X射线线SASE1、SASE2和软X射线线SASE3。SASE1和SASE3线共用同一条束线路径，通常以新鲜束团模式[23]并行运行。图1(a)展示了SASE1上实验装置的示意图，高能电子束经历来自波纹结构的横向尾场，其束团尾部被扫描。电子横向投影在wiggle器前的屏幕上测量。FEL脉冲能量通过wiggle器下游的X射线气体监测器（XGM）[24]进行表征。FEL光谱随后由位于XGM之后的X射线单发高分辨率（HIREX）光谱仪[25]进行分析。目前，欧洲XFEL通常在每个脉冲串中以2.25 MHz重复频率运行约1200个束团，其中数百个脉冲可供SASE1 wiggle器使用。图1(a)的放大插图中展示了每个脉冲串中的束团模式示意图，彩色条和标签指示每个束团的目的地。此处，SASE1和SASE3脉冲交替排列，因此将SASE1的重复频率降低至1.125 MHz。然而，由于快速和慢速踢出器系统的组合以及wiggle器前的束流阱（TLD），束团模式在重复频率方面具有高度灵活性。

图1. 欧洲XFEL SASE1 wiggle器线束流整形实验装置的布局（a），超导线性加速器在10 Hz突发模式下提供高达4.5 MHz重复频率的电子束（每个宏脉冲中的束团模式以放大插图中的彩色条表示）；L形波纹结构样品单元的实物照片（b）；设计的电子光学，在位于2163–2169 m处的波纹结构处提供低β函数并匹配至SASE1 wiggle器（c）；以及使用从头到尾模拟的束流分布，对有无波纹结构的情况（分别用红色和灰色表示）在9 keV处模拟的单发时间轮廓（d）和光谱（e）。

束流整形波纹结构长6 m，采用新型L形设计[26,27]，该设计结合了扫描强度增强和四极点电荷尾场抵消功能。通过改变束流向两板的距离，可在传统单板模式和L形模式之间切换。在单板模式下，存在四极点电荷尾场，导致束团尾部产生不希望的片层失配[28]。这种随时间变化的失配可能阻碍多色脉冲产生[6]中的新鲜片层应用、飞秒脉冲多级放大[8]以及自种子相干脉冲产生[29]。此前的实验展示了利用交叉排列布局实现的四极束团尾场补偿[30,31]。最新针对新鲜片层应用的分析表明，该方案可能使横向踢动变得非单调[32]。在此，在L形模式下，可以消除四极点电荷尾场分量[27]，从而从根本上消除随时间变化的失配原因。

图1(b)展示了束流整形波纹结构的样品单元，水平板的板宽为6 mm，垂直板的板宽为2 mm。波纹参数为周期0.5 mm，开口0.25 mm，深度0.5 mm。波纹结构的另一个特点是它不能移动；因此，采用轨道弯折来将电子束弯向波纹板。由于SASE1和SASE3共用同一条束线路径，通过快速踢出器系统分离两条束线的束流轨道并在进入wiggle器前重新合并，实现了并行运行和选择性扫描。

基于对波纹结构束流损失控制的广泛实验和模拟[19]，我们设计了如图1(c)所示的特殊电子光学和准直器。该构型在波纹结构处保持较小的束流尺寸，并进一步减少了进入wiggle器段的束流损失。图1(d)和1(e)分别展示了利用GENESIS[33]模拟的有无波纹结构（分别用红色和灰色表示）情况下9 keV处的单发FEL功率轮廓（d）和光谱（e）。FEL模拟中使用的14 GeV电子束通过OCELOT[34]从头到尾的束流动力学模拟获得。电子束位置设置为距两个波纹板均为0.5 mm的距离。200个随机种子的多拍模拟表明，平均脉冲能量从2.8 mJ降至0.23 mJ，半高全宽（FWHM）持续时间从37 fs降至2 fs，FWHM带宽从28 eV降至14 eV。

III. 实验结果

A. L形结构动力学

L形波纹结构的动力学特性通过结构下游50 m处的诊断屏幕进行验证。该屏幕在水平和竖直方向的相位 advances 分别为π和π/2。因此，它适合可视化两个平面中的扫描效应。通过向垂直板（横向扫描束流的板）进行距离扫描，同时固定水平板距离，演示了可变扫描和四极尾场补偿的特征信号。由于四极效应与结构处的β函数成正比，我们有意调节了一台四极磁铁以增加波纹结构区域的β函数，其中β=21 m和γ=42 m。在结构动力学研究中未建立激波。

图2中，我们展示了扫描垂直板绝对距离d时模拟的束流横向投影（上行）和测量束流图像（下行）。在测量中，未校准到结构的绝对距离，主要是由于束流位置监测器读数在大偏移下的非线性带来的不确定性。从模拟结果可以清楚地看出，在距离为1.0 mm时，扫描主要受水平板的横向尾场支配。随着束流向垂直板靠近，它逐渐在水平方向经历更强的踢动，束流图像向垂直板方向旋转。测量图像复现了预期的扫描方向旋转，确认了波纹结构的束流动力学特性。

图2. 波纹结构下游诊断屏幕上，不同垂直板距离（横向扫描束流）的模拟（上行）和测量（下行）束流图像。模拟情况下，d是朝向垂直板的距离；测量情况下，d是弯折磁铁的设定值。

对于模拟，水平板距离固定为0.6 mm；因此，图2(c)代表了四极尾场补偿的情况。从测量图像中，可以清楚地观察到从图2(f)到2(j)束团尾部先聚焦然后发散的明显趋势。为了更定量地展示这一点，我们首先对每个图像拟合一条脊线（如图2中束流图像上叠加的黑色虚线所示），并沿脊线垂直方向取束流片层。所有图像均被划分为20个片层，提取片层束流尺寸并归一化到头片层束流尺寸。其中，是通过对每个扫描的五个图像的头片层束流尺寸取平均计算的。距离扫描期间片层相对束流尺寸的变化分别绘制在图3的模拟情况（a）和测量情况（b）中。可以观察到，两种情况下片层尺寸变化主要发生在束团尾部，这是由于尾场的固有特性所致。

同样明显的是，在四极场补偿位置（图3两个子图中的绿色线），束尾显示出最小的束斑尺寸，证实了四极尾场补偿的特征。

图3. 距离扫描的切片束斑尺寸分析，(a) 和 (b) 分别对应模拟和测量情况。切片通过首先对每张图像拟合脊线，再沿脊线方向分割光束来获得。尺寸以头部切片的束斑尺寸进行归一化，该值通过对五张图像的头部切片束斑尺寸取平均获得。

模拟与测量之间在两个平面的束斑尺寸和投影束密度上也观察到差异。在图2(i)和2(j)的小距离处，束尾也显示出更高阶的弯曲，方向偏离水平面。此类偏差可能来源于实验中电子束流轮廓的差异、入射β函数与格子的失配，以及加速器上游引入的束流倾斜和失配。

B. 高重复频率下的脉冲整形

对X射线脉冲整形的应用通过标准SASE模式下的脉冲持续时间控制来展示，该模式通常产生具有毫焦级脉冲能量的数十飞秒脉冲。特殊的低β光学设置被用于最小化束流损耗和四极效应。图4(a)和4(b)展示了在7 keV下此类常规条件下采集的300次连续光谱(a)及其平均值(b)，平均脉冲能量为2.3 mJ。对平均光谱的高斯拟合表明均方根带宽为13.2 eV。由于SASE1没有可用的时域脉冲持续时间诊断工具，我们采用文献[35]中提出的利用光谱强度涨落进行重构的方法，执行了脉冲持续时间和能量啁啾分析。图4(e)中蓝色曲线展示了二阶光谱关联函数。分析得出重构的均方根脉冲持续时间为27.2 fs，束流啁啾为，光谱仪分辨率为0.13 eV。

图4. 在7 keV处带有波纹结构的FEL脉冲缩短结果。没有波纹结构时300次连续发射的光谱(a)及相应的平均光谱(b)；带有波纹结构的情况如(c)和(d)所示；以及由光谱强度涨落计算得到的二阶光谱关联函数(e)。

当电子束被推向L形结构时，沿束流方向产生横向束流倾斜。对于大偏移的纵向切片，它们的轨道从激射轨道振荡偏离，阻止切片激射。因此，X射线脉冲持续时间被缩短。我们在图4(c)–4(e)中分别展示了300次连续光谱、其平均值以及二阶光谱关联函数。由平均光谱的高斯拟合得出，均方根光谱带宽显著缩小至6.7 eV。平均脉冲能量为0.2 mJ。相同的重构过程得出重构的均方根脉冲持续时间为6.3 fs，束流啁啾为，光谱仪分辨率为0.11 eV。这些测量表明，使用波纹结构时重构脉冲持续时间约缩短四倍。

需要注意，重构方法假设高斯X射线时间分布和束流中的线性啁啾。此外，重构无法给出啁啾的符号。使用安装在主直线加速器末端的相干辐射强度光谱仪[36]测量电子束流轮廓，显示出类高斯的电流形状。SASE2波荡器线上的模拟[37]和测量[38]表明电子束纵向相空间中存在一些非线性分量（参见文献[38]中的图5），而激射窗口主要位于峰值电流所在的线性啁啾部分。对于使用波纹结构的情况，激射窗口要短得多，因此受全局电流轮廓和全局非线性啁啾的约束更小。对于较长的脉冲情况，部分非线性啁啾尾部可能对激射有贡献，为重构脉冲持续时间增加了不确定性。我们使用光谱分辨的谱图自相关重构方法[39]进行的进一步分析未能从图4所示的数据中检测到强二次啁啾（参见文献[39]中的图4和7）。总体而言，这些验证支持了本数据集重构的主要假设，但不能替代SASE1的直接时域诊断。

图5展示了在高重复频率模式下、波纹结构产生条纹效应的独立实验数据，能量为9.3 keV，每个脉冲串包含100个电子束，串内重复频率为1.125 MHz。一个脉冲串中100个束团的光谱如图5(a)所示。沿脉冲串方向存在中心光子能量偏移，这是加速器电子束能量梯度的结果，可以通过加速器射频设置进行校正。利用300个脉冲串数据重构的均方根脉冲持续时间和束流啁啾如图5(b)和5(c)所示。图5(b)和5(c)中的蓝色、红色和绿色曲线分别代表假设SASE带宽为4.2、3.7和4.7 eV时的结果。我们可以看到，由于SASE带宽估计的不确定性带来的脉冲持续时间和束流啁啾的相对不确定度较小，表明沿脉冲串方向X射线脉冲特性相对均匀。重构的光谱仪分辨率约为0.15 eV，独立于假设的SASE带宽，与预期值一致。

图5. 使用波纹结构时1.125 MHz重复频率下单个脉冲串（含100个束团）的光谱(a)。使用300个连续脉冲串沿脉冲串位置重构的脉冲持续时间(b)和束流啁啾(c)。蓝色、红色和绿色曲线分别代表假设SASE带宽为4.2、3.7和4.7 eV时的结果。

由于在高重复频率下操作波纹结构时辐射损伤是一个主要关注点，我们在每个脉冲串包含200个束团、在7 keV下产生数飞秒脉冲的情况下，使用移动自主机器人Marwin[40]测量了隧道沿程的中子剂量率（这是波荡器损伤的主要来源）。如图6所示，经过束流收集器（黑色虚线）后，波纹结构造成的剂量率（红色实线）衰减至波荡器线入口（黑色点划线）处约为的水平。此剂量率水平远低于波荡器辐射损伤的估计限值[41]。波荡器上游的其他部件可以通过适当的屏蔽进行保护。我们预计将缩放至每个脉冲串1200个脉冲、10 Hz爆发率（即有效12 kHz）是可行的，累积损耗低于欧洲X射线自由电子激光器中波荡器操作的估计阈值。我们注意到，对于双色脉冲产生等应用，束流与结构之间的距离可以大幅放松，有效重复频率的提升是预期的。进一步扩大至100 kHz至1 MHz的连续波（cw）运行正在积极研究中。最近，通过使用直线加速器后主束流收集器的更小口径[43]，观察到束流损耗的减少[42]。

图6. 电子束被波纹结构产生条纹（红色）和未被条纹（蓝色）时，在波纹结构和波荡器区域测量的中子剂量率（左轴）。波纹结构、束流收集器和波荡器起始位置分别用橙色矩形、黑色虚线和黑色点划线标记。黑色实线显示隧道沿程真空腔体口径变化（右轴）。

C. 并行运行

由于输送至硬X射线波荡器线SASE1和软X射线波荡器线SASE3的电子束团共享同一条束流路径，束流整形波纹结构天然能够同时对输送至SASE1和SASE3波荡器线的束团进行条纹调制。实际上，选择性对SASE1或SASE3束团进行条纹调制是更有利的，使一条波荡器线输出波纹结构整形的脉冲，而另一条保持不变。这种并行运行方案通过结构周围的组合 kicker系统实现，该系统在解啁啾器位置将SASE1和SASE3束团的束流轨道分离数毫米，并在通过波荡器线时重新组合轨道。并行运行的实验演示如图7所示。同一宏脉冲中的SASE1和SASE3束团以约的时间间隔到达波纹结构，分别落在kicker系统的关闭和开启区域。因此，SASE1束团被推向靠近波纹结构的位置（图7(a)和7(b)中的蓝色轨道），而SASE3束团被kicker弹离波纹结构（图7(a)和7(b)中的红色轨道）。束流投影在下游诊断屏上进行测量，如图7(c)所示，出于可视化目的，轨道分离未完全闭合。可以清楚看到，一个束团在两个方向上都进行了条纹调制，而另一个保持未条纹状态。该系统的一个优势是，通过正确设置kicker电压相对于束团到达时间的时序，可以方便地交换被条纹调制的束团。条纹脉冲的切换在两条波荡器线全部透过的条件下成功测试。然而，由于软X射线波荡器线光谱仪的可用性和有限的实验时间，两条波荡器线之间的并行激射和脉冲长度整形切换尚未建立，留待未来研究。

图7. 波纹结构的并行运行。(a)和(b)分别展示了条纹调制束流（SASE1，kicker关闭）和未条纹束流（SASE3，kicker开启）在两个方向上的束流轨道。红色矩形标记波纹结构区域。虚线标记诊断屏位置。(c)面板展示了并行运行下诊断屏上的束流图像。

IV. 总结

总之，我们首次成功展示了在脉冲模式兆赫兹重复频率X射线自由电子激光器中使用波纹结构进行束流整形。L形结构的动力学得到了验证。在脉冲模式下，在多个束流能量和光子能量处定期产生了兆赫兹重复频率的数飞秒硬X射线脉冲。束流整形波纹结构的操作不干扰其他波荡器线，本质上适用于多条波荡器线并行运行的高重复频率设施。所展示的结果为没有色散或压缩段的波荡器线提供了卓越的脉冲整形能力，可以轻松调谐以适配最近在SASE2[44]和SASE3[45]中展示的方法。此外，具有可变条纹方向的L形几何结构可作为多维束流相空间诊断的新工具。虽然实验演示是在欧洲X射线自由电子激光器爆发模式运行下进行的，但本工作涉及的底层物理约束并非爆发模式运行所特有，而是高重复频率X射线自由电子激光器的共性问题。特殊光学和束流收集器的组合作为插入段安装到束流线中，原则上可以适配其他兆赫兹级自由电子激光设施，具体取决于设施特定的布局和空间约束。

未来工作需要更精确的位置控制来更好地表征L形结构的动力学并详细验证其尾场模型。随着SASE1波荡器内部最近安装的磁 chicane和自种子系统，可以在兆赫兹重复频率下追求双色脉冲产生和新鲜切片自种子。在欧洲X射线自由电子激光器近期升级中，计划在SASE1分支上安装波荡器后波纹尾场结构（如同SASE2[38]），届时将实现电子束纵向相空间和FEL脉冲持续时间的直接时域诊断。为进一步的束流损耗降低措施，例如减小主束流收集器的口径间隙[43]，可以实施以获得更短的X射线脉冲持续时间并为最终的连续波运行做准备。