近日，中國科學院近代物理研究所電子加速器研究中心的科研人員與大連理工大學、西安交通大學合作，基于近代物理所高能電子成像實驗平臺的電子束參數(shù)并結(jié)合有源等離子體透鏡在高能電子成像技術(shù)及聚焦效應(yīng)研究方面取得新進展。相關(guān)研究成果分別發(fā)表在Physical　Review　Applied　及Physical　Review　E上。

科研人員介紹，傳統(tǒng)的聚焦裝置主要分為螺線管磁鐵、電磁四極鐵及永磁四極鐵。其中，螺線管磁鐵雖可在橫向x和y兩個方向同時聚焦電子束，但其僅適用于低能束線段。電磁四極鐵雖磁場梯度可調(diào)，但橫向聚焦只能在一個方向，通常兩塊或者三塊配合使用，無法滿足緊湊化的需求。永磁四極鐵雖聚焦梯度大且裝置緊湊，但其磁場梯度不可調(diào)節(jié)，因此在實驗中的應(yīng)用也存在局限性。為此，科研人員提出采用有源等離子體透鏡聚焦電子束。目前，此方法已成功應(yīng)用到傳統(tǒng)加速器及等離子體尾波場加速器束線中，并有望未來應(yīng)用到粒子對撞機中。

實驗中，基于高能電子成像實驗平臺，科研人員利用熱陰極微波電子槍產(chǎn)生的電子束及高壓直流放電等離子體靶，成功觀察到電子束在有源等離子體透鏡中的聚焦現(xiàn)象，同時對其聚焦原理深入分析。實驗結(jié)果表明（圖1）：當?shù)入x子體靶不放電時，YAG屏上的束斑為1.25　mm，而該靶調(diào)節(jié)至合適的放電電壓和氣壓后，束斑減小至0.48mm，聚焦效果顯著！

圖1　：等離子體靶　不放電　（a）　及　放電　（b）　時靶后第一塊YAG屏上的束斑分布情況

鑒于有源等離子體透鏡具有緊湊、聚焦梯度大、對稱聚焦、色差小的優(yōu)勢，科研人員將該透鏡成功應(yīng)用到高能電子成像中。從高能電子束在透鏡中的傳輸矩陣出發(fā)，科研人員設(shè)計了一個總長為44.87cm、放大倍數(shù)為20的高能電子成像系統(tǒng)，其點對點成像模擬結(jié)果如圖2所示。模擬結(jié)果表明：該系統(tǒng)的成像分辨率可以達到亞微米量級，相較于基于電磁四極鐵的全長為5m（放大倍數(shù)為10）的成像系統(tǒng)十分緊湊。

圖2　：物平面　（a）　及　像平面　（b）　的電子束分布情況

通過模擬研究對比，基于有源等離子體透鏡的高能電子成像系統(tǒng)具有色差容忍度高、緊湊、適用于厚靶成像及對稱聚焦的優(yōu)勢，有望在新的高能電子成像技術(shù)未來發(fā)展中發(fā)揮更大地作用。該研究工作也為等離子體透鏡在后期其它相關(guān)實驗中的應(yīng)用拓寬了道路。

該工作得到了國家重點研究發(fā)展計劃（No．　2019YFA0404901）和國家自然科學基金（No．　12075046）的支持。

論文鏈接：

1. https：／／journals．a(chǎn)ps．org／pre／abstract／10.1103／PhysRevE．108.065203
2. https：／／journals．a(chǎn)ps．org／prapplied／abstract／10.1103／PhysRevApplied．22.034022