自由电子激光(Free electron laser，FEL)相比于传统的光源具有极高的峰值亮度、超短的脉冲长度以及优越的时间空间相干性等极其优异的特性，使得FEL能够用于目前科学尚未触及的研究领域，比如磁成像、泵浦-探测超快化学、量子材料等。并且自21世纪以来，高增益型的FEL装置取得了重大技术突破，这也激发了近些年高增益FEL装置在全世界的迅速发展。目前中国也在计划建设高增益FEL装置，包括上海软X射线FEL装置（SXFEL，在建）和上海硬X射线自由电子激光装置（SHINE，在建）。
　　对于此类FEL装置，高分辨率的束流到达时间测量和高精度的束团电荷量测量是亟待解决的关键技术问题。从FEL装置运行的角度来说，FEL装置工作的基本原理是电子束与种子激光之间的相互作用，而要使得两者之间能够产生相互作用，必须尽可能提高两者在三维空间的重合程度，其中横向可以使用束流位置检测器测量，而纵向则需要精确地测量电子束的到达时间并以此为基础调节激光脉冲的时序。对于SXFEL装置而言，束流到达时间的测量分辨率要求至少达到百fs量级。而从FEL用户实验的角度来说，尤其是有高时间分辨要求的实验，也需要精确测定束流到达时间，分辨率应至少与束团长度相当，达到百fs量级。另一方面，束团电荷量是装置运行中必须在线监测的，表征电子束流状态最重要、最基本的参数之一，电荷量精确测量也是电荷量反馈、束损监测分析、束流寿命测量以及相关联锁工作的基础。因此，本课题选择高分辨率的束流到达时间和高精度的束团电荷量测量关键技术为主要研究方向。
　　目前，束流到达时间测量主要有两种方法:电光采样法和射频相位腔法。其中电光采样法是利用宽带探头耦合的束流信号对超短激光脉冲进行幅度调制，从而通过激光脉冲的幅度判断束流到达时间信息。这种方法具有高灵敏度和高时间分辨率的特点，但是系统相对复杂、调试困难且成本很高。电光采样法主要被应用于欧洲的大部分FEL装置上，目前分辨率最好可达到6fs。射频采样法则利用探头耦合出的窄带信号经过混频输出中频信号，通过检测中频信号的相位来计算束流到达时间信息。这种方法目前最佳的分辨率为LCLS的13fs，虽然分辨率不及前者，但是已经满足SXFEL装置的运行需求，并且系统结构相对简单、调试方便且成本低，优化空间大，目前被广泛用于北美和亚洲的FEL装置上，比如LCLS、SACLA、SCSS、PAL-XFEL等。因此，本课题将着重研究基于射频相位腔法测量束流到达时间的相关技术。
　　对于束团电荷量测量而言，目前的测量方法很多，并且很多产品已经实现商业化。常用的束流流强检测器(Beam current monitor，BCM)有:法拉第筒、DCCT、ICT以及纽扣型/条带型或腔式束流流强检测器。其中法拉第筒为拦截型检测器，DCCT不适用于单个脉冲电荷量的测量，ICT虽然可以用于单脉冲测量但是基线易受干扰。纽扣型/条带型BCM可实现较高分辨率的电荷量相对测量，但是有比较明显的束流横向位置依赖性。腔式BCM为窄带系统，此类系统通过将同一物理量重复采样平均可以得到很高的分辨率，且无明显的束流横向位置依赖性。因此本课题将同样采用腔式探头测束团电荷量。
　　综上所述，本文主要研究基于腔式探头的束流到达时间及束团电荷量测量的关键技术，具体内容包括:
　　束流到达时间/束团电荷量测量方案研究;
　　腔式探头的设计方法研究及研制;
　　射频信号采集方法研究;
　　基于腔式探头的束流到达时间及束团电荷量测量系统在SXFEL装置上的实现及束流实验;
　　基于腔式探头的束团电荷量测量系统在SSRF装置上的实现及测试;
　　除此之外，本课题还将简单研究适用于超高重频FEL装置的腔式束流位置测量探头的研制和应用。