内 容 简 介

本书围绕高亮度兆伏超快电子束的产生、传输、调控与应用展开，内容覆盖光阴极电子源与驱动激光、束流发射度与能散控制、束团压缩与横纵向相空间整形、同步与稳定性、束流测量与诊断、电子衍射成像方法及数据反演等关键环节，系统梳理了其核心概念、物理图像与主流技术路线，并总结了几个具有代表性的装置与实验进展。

本书精选部分权威期刊与重要会议的论文进行导读，帮助读者快速建立“电子源—束线—探测—应用”的整体框架，把握该领域的发展脉络、前沿方向与未来挑战，适合相关专业研究生、科研人员及工程技术人员参考。

物质由原子、电子、分子等微观粒子构成，其宏观性质由这些微观粒子的种类、结构及运动状态决定。当物质的微观结构发生变化时，其宏观性质也随之改变。因此，研究微观粒子的动力学有助于理解、应用和控制相关的物理、化学、生物等宏观性质，是当今科学研究的前沿领域，被称为“超快科学”(ultrafast science) 。

描述微观粒子运动的一个重要参数是运动的特征时间。价电子的特征时间约为飞秒(fs，10-15 s)量级；分子振动的特征时间约为百飞秒量级；而原子内层电子的特征时间约为阿秒(as,10-18 s)量级。例如，飞秒化学的反应取决于原子尺度的运动，原子核以飞秒和皮米(pm,10-12 m)的时间尺度运动，而电子密度变化的速度可达到阿秒量级。如果能以原子的时空分辨率探测这些微观粒子的运动过程，就能获得一个可视化的四维时空反应进程的“电影”，为理解新现象、发现新机制提供前所未有的手段，有助于解答许多基础科学问题。加州理工学院Ahmed H.Zewail 教授利用飞秒激光观测到化学反应中原子状态的转变，从根本上改变了人们对化学反应的认识。

在过去20年里，超快科学的研究领域不断拓展，并对物理、化学及材料等学科的发展产生了深远影响。随着超快探测理论与技术的进步，人们可以观测到以前从未见过的物质瞬态转换过程。为了更好地理解未知世界中的自然现象，需要不断提高时间、空间分辨率以获得更准确的物质时空演化信息，从而推动超快探测方法和技术的不断发展。超快探测将物质的微观结构和动力学联系起来，为科学突破创造了机遇。

粒子加速器是用人工方法将带电粒子加速到高能的装置。在过去的半个世纪，粒子加速器在科学研究中发挥着不可替代的作用，极大地推动了人类对物质世界的深入探索。过去，加速器主要为各类基础研究提供大型科学装置，例如，高能对撞机用于基本粒子物理研究；而同步辐射或自由电子激光产生的X射线源为材料、化学、能源、生命科学前沿研究提供支持等。

近年来，将加速器产生的超短电子束直接应用于超快科学研究领域已成为国际研究热点。从可得性来看，电子探针比X射线探针更容易获得。并且，相对于光子束，电子束对样品的损伤更小，且物质波波长更短，可获得更大的倒易空间，已广泛应用于超快、超高分辨率研究领域。此外，比起传统相对低能的千电子伏特(keV)(简称千伏）电子束，相对高能的兆电子伏特(MeV)(简称兆伏)超快电子束能够有效缓解空间电荷效应，允许单发成像,具有更高的电荷量。从装置的建设成本及特点来看，超快电子成像装置可以与X射线自由电子激光这类大科学装置互补短长。

兆伏超快电子衍射采用亚皮秒电子束探测物质原子尺度结构演化，深刻改变了人们对物质本质演化的认识。电子束探针品质决定了探测的时空分辨率。对于不可逆超快过程，必须采用基于单发或少数几发的泵浦探测(pumpprobe)成像技术，束团电荷量需提高二到三个数量级，随之增加的空间电荷场可能导致束团品质恶化。因此，研究空间电荷效应下电子束的六维相空间行为，并抑制补偿空间电荷效应，是未来实现超快电子成像的关键。

前言

物质由原子、电子、分子等微观粒子构成，其宏观性质由这些微观粒子的种类、结构及运动状态决定。当物质的微观结构发生变化时，其宏观性质也随之改变。因此，研究微观粒子的动力学有助于理解、应用和控制相关的物理、化学、生物等宏观性质，是当今科学研究的前沿领域，被称为“超快科学”(ultrafast science) 。

描述微观粒子运动的一个重要参数是运动的特征时间。价电子的特征时间约为飞秒(fs，10-15 s)量级；分子振动的特征时间约为百飞秒量级；而原子内层电子的特征时间约为阿秒(as,10-18 s)量级。例如，飞秒化学的反应取决于原子尺度的运动，原子核以飞秒和皮米(pm,10-12 m)的时间尺度运动，而电子密度变化的速度可达到阿秒量级。如果能以原子的时空分辨率探测这些微观粒子的运动过程，就能获得一个可视化的四维时空反应进程的“电影”，为理解新现象、发现新机制提供前所未有的手段，有助于解答许多基础科学问题。加州理工学院Ahmed H.Zewail 教授利用飞秒激光观测到化学反应中原子状态的转变，从根本上改变了人们对化学反应的认识。

在过去20年里，超快科学的研究领域不断拓展，并对物理、化学及材料等学科的发展产生了深远影响。随着超快探测理论与技术的进步，人们可以观测到以前从未见过的物质瞬态转换过程。为了更好地理解未知世界中的自然现象，需要不断提高时间、空间分辨率以获得更准确的物质时空演化信息，从而推动超快探测方法和技术的不断发展。超快探测将物质的微观结构和动力学联系起来，为科学突破创造了机遇。

粒子加速器是用人工方法将带电粒子加速到高能的装置。在过去的半个世纪，粒子加速器在科学研究中发挥着不可替代的作用，极大地推动了人类对物质世界的深入探索。过去，加速器主要为各类基础研究提供大型科学装置，例如，高能对撞机用于基本粒子物理研究；而同步辐射或自由电子激光产生的X射线源为材料、化学、能源、生命科学前沿研究提供支持等。

近年来，将加速器产生的超短电子束直接应用于超快科学研究领域已成为国际研究热点。从可得性来看，电子探针比X射线探针更容易获得。并且，相对于光子束，电子束对样品的损伤更小，且物质波波长更短，可获得更大的倒易空间，已广泛应用于超快、超高分辨率研究领域。此外，比起传统相对低能的千电子伏特(keV)(简称千伏）电子束，相对高能的兆电子伏特(MeV)(简称兆伏)超快电子束能够有效缓解空间电荷效应，允许单发成像,具有更高的电荷量。从装置的建设成本及特点来看，超快电子成像装置可以与X射线自由电子激光这类大科学装置互补短长。

兆伏超快电子衍射采用亚皮秒电子束探测物质原子尺度结构演化，深刻改变了人们对物质本质演化的认识。电子束探针品质决定了探测的时空分辨率。对于不可逆超快过程，必须采用基于单发或少数几发的泵浦探测(pumpprobe)成像技术，束团电荷量需提高二到三个数量级，随之增加的空间电荷场可能导致束团品质恶化。因此，研究空间电荷效应下电子束的六维相空间行为，并抑制补偿空间电荷效应，是未来实现超快电子成像的关键。