Учёные разработали неинвазивный метод измерения размера электронного пучка с помощью «шипов» синхротронного излучения

Исследователи из European XFEL впервые обнаружили и использовали случайные флуктуации в синхротронном излучении для точного измерения поперечного размера электронного пучка, генерирующего рентгеновские лучи. Новый метод не требует установки дополнительных диагностических приборов и может быть реализован на существующем оборудовании.

Синхротронное излучение демонстрирует «шипованные» картины интенсивности, которые можно использовать для получения информации об электронном пучке. Автор: European XFEL

Хотя синхротронное излучение часто считается стабильным, его электромагнитное поле демонстрирует выраженные случайные флуктуации как во времени, так и в пространстве. Эти флуктуации несут в себе информацию о пространственных характеристиках электронного пучка, который производит рентгеновские лучи.

Команда под руководством Андрея Требушинина и Свитозара Серкеза из European XFEL первой зафиксировала эти флуктуации и использовала их для неинвазивного измерения размера электронного пучка вдоль лучевых линий SASE в каждой ячейке ондулятора — устройства, заставляющего ускоренные электроны испускать рентгеновское излучение.

Эксперимент проводился на лучевой линии SASE1 в European XFEL с использованием стандартного оборудования: кремниевого монохроматора и формирователя изображения синхротронного излучения. «Короткие сгустки электронов из нашего линейного ускорителя — это ключевой фактор», — поясняет ведущий автор исследования Андрей Требушинин. Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters. Отдельное исследование опубликовано в журнале Physical Review Accelerators and Beams.

В принципе, метод может быть применён и в накопительных кольцах, при условии сбора достаточной статистики. Однако из-за большей длины сгустков в таких установках потребовались бы монохроматоры сверхвысокого разрешения. «А у нас это можно сделать просто с помощью монохроматора нашей установки», — говорит Требушинин. Информация извлекается исключительно из статистической структуры флуктуаций интенсивности, аналогично эксперименту Хэнбери Брауна — Твисса для измерения углового диаметра звёзд, который произвёл революцию в звёздной астрономии в 1950-х годах.

Измерение картин интенсивности в одной ячейке ондулятора. Полученный размер электронного пучка составил 16,8 ± 0,4 мкм по горизонтали и 26 ± 0,3 мкм по вертикали. Автор: Physical Review Accelerators and Beams (2025). DOI: 10.1103/31gl-qyk7

Полученные измерения важны для передовых режимов работы рентгеновских лазеров на свободных электронах, таких как генерация аттосекундных импульсов, само-засевание или двухцветное лазерное излучение. Новый метод позволяет проводить диагностику для каждой ячейки ондулятора и устраняет необходимость установки сканирующих проволочных мониторов в различных местах. «Это прекрасная экспериментальная демонстрация эффекта статистической оптики, применённого к синхротронному излучению», — объясняет Джанлука Джелоне, руководитель группы в European XFEL. В исследовательскую группу вошли сотрудники European XFEL и DESY в рамках программы НИОКР по лазерам на свободных электронах.

Больше информации: Andrei Trebushinin et al, First Observation of Synchrotron Radiation Spikes for Transverse Electron Beam Size Measurements at a Free-Electron Laser, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/z89g-f7j6
Andrei Trebushinin et al, Noninterferometric method for transverse electron beam size diagnostic with synchrotron radiation at a free-electron laser, Physical Review Accelerators and Beams (2025). DOI: 10.1103/31gl-qyk7

Источник: European XFEL