近日，近代物理所电子加速器研究中心的科研人员与大连理工大学、西安交通大学合作，基于近代物理所高能电子成像实验平台的电子束参数并结合有源等离子体透镜在高能电子成像技术及聚焦效应研究方面取得新进展。相关研究成果分别发表在Physical Review Applied 及Physical Review E上。

科研人员介绍，传统的聚焦装置主要分为螺线管磁铁、电磁四极铁及永磁四极铁。其中，螺线管磁铁虽可在横向x和y两个方向同时聚焦电子束，但其仅适用于低能束线段。电磁四极铁虽磁场梯度可调，但横向聚焦只能在一个方向，通常两块或者三块配合使用，无法满足紧凑化的需求。永磁四极铁虽聚焦梯度大且装置紧凑，但其磁场梯度不可调节，因此在实验中的应用也存在局限性。为此，科研人员提出采用有源等离子体透镜聚焦电子束。目前，此方法已成功应用到传统加速器及等离子体尾波场加速器束线中，并有望未来应用到粒子对撞机中。

实验中，基于高能电子成像实验平台，科研人员利用热阴极微波电子枪产生的电子束及高压直流放电等离子体靶，成功观察到电子束在有源等离子体透镜中的聚焦现象，同时对其聚焦原理深入分析。实验结果表明（图1）：当等离子体靶不放电时，YAG屏上的束斑为1.25 mm，而该靶调节至合适的放电电压和气压后，束斑减小至0.48mm，聚焦效果显著！

图1 ：等离子体靶 不放电 (a) 及 放电 (b) 时靶后第一块YAG屏上的束斑分布情况

鉴于有源等离子体透镜具有紧凑、聚焦梯度大、对称聚焦、色差小的优势，科研人员将该透镜成功应用到高能电子成像中。从高能电子束在透镜中的传输矩阵出发，科研人员设计了一个总长为44.87cm、放大倍数为20的高能电子成像系统，其点对点成像模拟结果如图2所示。模拟结果表明：该系统的成像分辨率可以达到亚微米量级，相较于基于电磁四极铁的全长为5m（放大倍数为10）的成像系统十分紧凑。

图2 ：物平面 (a) 及 像平面 (b) 的电子束分布情况

通过模拟研究对比，基于有源等离子体透镜的高能电子成像系统具有色差容忍度高、紧凑、适用于厚靶成像及对称聚焦的优势，有望在新的高能电子成像技术未来发展中发挥更大地作用。该研究工作也为等离子体透镜在后期其它相关实验中的应用拓宽了道路。

该工作得到了国家重点研究发展计划(No. 2019YFA0404901)和国家自然科学基金(No. 12075046)的支持。

论文链接：

1. https://journals.aps.org/pre/abstract/10.1103/PhysRevE.108.065203
2. https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.22.034022

(电子加速器研究中心  供稿)