近日，中國科學(xué)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(xué)、西安交通大學(xué)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(jìn)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(jī)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(dāng)?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(diǎn)對點(diǎn)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(dá)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(diǎn)研究發(fā)展計劃（No．　2019YFA0404901）和國家自然科學(xué)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