电子束能散对于基于加速器的超快科学装置(如自由电子激光、超快电子透镜、逆康普顿散射x光源等)的性能有着重要影响，比如能散会降低自由电子激光的增益，能散引入的色差会降低超快电子透镜的空间分辨率等。加速器一般使用微波场对电子加速，尽管相比直流电场可以提供更高的加速梯度，然而当电子束长度并不远小于微波场波长时由于不同纵向位置的电子感受到不同的加速相位，电子束将获得较大的能散。比如间隔5ps的电子由于在s波段微波场中相位差5度，其能量差别大约在千分之四 (Sin(850)=0.996)，而超快电镜要求电子束能散在万分之一以下。

物理与天文系张杰教授和向导教授课题组与清华大学、上海应用物理研究所以及斯坦福直线加速器中心的研究人员近期合作探索了一种降低电子束能散的新机制，该工作发表在2015年3月20日的《Physical Review Letters》(Phys. Rev. Lett. 114, 114801 (2015))。

该方法通过电子束在一段金属皱褶结构表面产生的感应电流激发的‘尾场’来对自身相空间的非线性进行补偿。分析表明，电子束在经过皱褶结构时在其表面激发的感应电流所产生的电磁场主要包含一个单频的模式，当电子束分布、电荷量和尾场波长满足一定条件时，电子束所产生的尾场（即电子束分布和单个电子所产生尾场格林函数的卷积）可近似为一个正弦波。精确调节该正弦波的幅值和相位可使得其和用于电子束加速的微波场叠加为一个准方波（二者的幅值为方波傅里叶级数展开的前两个频率分量的幅值），有望补偿电子束的纵向相空间非线性以降低电子束能散。比如下图中蓝色正弦波和洋红色频率为其2倍的谐波叠加可产生红色的准方波分布。理想情况下需要无限多个谐波分量才能叠加成一个方波，实际应用中仅需要某一个谐波和基波叠加即可在局部形成一个准方波分布，使得该区域不同纵向位置（如下左图中+-0.5的区域）的电子感受到相同的电场。  

超快电子衍射与成像课题组加工了金属皱褶结构(图a，即表面包含周期起伏的金属板)，并且利用上海交通大学已经建成的超快电子衍射原型机对该机制进行了实验验证，实验中电子束能散降低了3倍（受测量分辨率限制；实际能散降低倍数远大于3倍），证实了确实可通过电子束的尾场对电子束纵向相空间的非线性进行补偿(图b为没有皱褶结构时电子束的纵向相空间，图c为利用皱褶结构进行补偿后的电子束纵向相空间。

本工作受到科技部青年973课题（No.2015CB859700）和国家自然科学基金（No.11327902）的资助。