紧凑型自聚束微波电子枪设计研究

 提出一种新的紧凑型强流电子枪结构。紧凑型自聚束微波电子枪是一个多驻波腔结构,最大特点是腔与腔之间相互没有耦合,每腔可分别独立馈入功率和调节相位。通过选择合适的馈入功率和高频相位搭配,能够得到较优的束流品质。在此基础上采用外注入电子束的结构,能进一步增大流强和降低能散度,同时消除电子反轰对阴极工作的不利影响。利用Superfish和Parmela程序对腔体结构和束流动力学反复进行计算,确定了一组结构和工作参数。模拟结果表明出束微脉冲峰值流强可以到18 A,能散度小于2‰,横向发射度小于6 πmm·mrad。最后给出腔体冷侧结果,与模拟计算结果吻合得较好。     

关于热阴极微波电子枪中电子反轰问题的研究

 提出了热阴极微波电子枪的设计中可以通过缩短腔长减小电子反轰功率，并通过模拟计算详细研究了腔长对电子反轰及枪出口束流品质的影响。     

独立调谐热阴极微波电子枪电子反轰效应北大核心CSCD

为开展自由电子激光太赫兹技术研究,研制出利用两路微波馈入的独立调谐热阴极微波电子枪,建立了热测实验装置,并进行了束流测试和电子反轰效应的热测实验研究。实验结果表明,该微波电子枪出口处束流强度可超过500mA,电子反轰效应随着首腔电场的相位和幅度调节发生显著变化。     

热阴极微波电子枪的电子反轰现象

 利用数值模拟方法研究了热阴极微波电子枪在高重复率（200Hz）时电子反轰运动以及输出束流品质与腔长的关系，并讨论了抑制电子反轰的措施。     

低反轰多腔热阴极微波电子枪物理设计

 为了开展基于自由电子激光的紧凑型太赫兹源技术研究,获得高品质（强流、低能散、低发射度）电子束,提出了一个低反轰双路微波馈入多腔热阴极微波电子枪的设计方案。用两路独立微波馈入激励微波电子枪,一路由首腔馈入激励首腔和实现阴极表面建场引出电子,另一路由后续腔馈入并通过腔间耦合激励各腔。两路微波互不耦合,通过移相器实现首腔和第2腔之间的相移连续可调。理论模拟结果表明:在一个射频周期内,热阴极微波电子枪的电子反轰功率约8 kW,平均反轰功率仅为1.2 W（重复频率25 Hz和脉宽6 μs）。     

双微波馈入热阴极微波电子枪实验研究

中国工程物理研究院紧凑型自由电子激光太赫兹源装置采用了两路微波独立调谐热阴极微波电子枪作为注入器,一路由首腔馈入激励首腔和实现阴极表面建场并引出电子,另一路由后续腔馈入并通过腔间耦合激励各腔,两路微波互不耦合。对于这种微波激励方式,微波电子枪首腔的电场相位和幅度在实验中均可调节,因此可以通过实验研究来优化微波电子枪的工作参数,从而减小热阴极微波电子枪的电子反轰效应,提高束流品质。介绍了该热阴极微波电子枪热测实验研究的最新结果,通过BCT测得微波电子枪出口处束流强度超过400mA,电子反轰效应随着首腔电场的相位和幅度调节发生显著变化,这些指标和实验现象与理论研究结果较为吻合。     

外注入式独立调谐微波电子枪的概念设计

为得到微脉冲束团长度在百fs量级且高重复频率,设计了一种紧凑型的强流电子枪结构独立调谐微波热发射电子枪。该电子腔具有双驻波加速腔,两个驻波加速腔之间相互没有耦合,可以分别独立地馈入功率、调节相位。通过优化功率与相位,可以得到较优的束流品质,同时避免了磁铁和激光系统的使用,使得结构更加紧凑。并采用外注入式结构增大流强、降低能散度,同时消除电子反轰对阴极的负面影响。对不同结构参数的腔体进行1维和3维束流动力学计算,可以得到较为理想的腔体参数。通过调节预注入器的馈入功率和粒子入射相位,可以进一步的压缩束团长度。     

热阴极微波电子枪预测式自适应前馈控制系统

 北京自由电子激光装置采用热阴极微波电子枪作为电子直线加速器的注入器,在较长脉冲工作条件下, 热阴极微波枪固有的反轰效应使束流强度随时间增加, 能量因束负载效应而降低, 导致束流能散度变差, 并在随后的加速过程中因注入束流的纵向发射度的扩大而进一步变坏, 最终降低自由电子激光的性能。实验表明, 采用带预测的自适应前馈控制克服束负载效应以及提高微波枪束流质量切实可行。     

横向运动对驻波加速管电子反轰的影响

驻波加速管的电子反轰除和各种纵向运动因素有关外,还和横向运动因素有关。本文分析了横向运动因素对电子反轰的影响,指出由于横向运动,最终作反向运动的电子只有一部分能反轰到电子枪阴极表面,本文给出了计算反轰束流包络、反轰率、反轰电流及反轰功率的方法。     

(1/2+1/2+1)腔型热阴极微波电子枪

 介绍了一种新型的轴耦合热阴极微波电子枪的设计，该枪采用了缩短首腔以及在首腔与主加速腔间插入耦合半腔的设计思想，在不破坏粒子束性能的基础上尽量减小反轰功率，给出了用Superfish 及Pamela软件进行物理设计以及粒子动力学计算的结果，在脉冲宽度为6μs, 重复频率为25Hz时，阴极上平均反轰功率为3.6W,达到设计要求。     

二次发射微波电子枪的倍增特性

 利用3DRun程序通过数值模拟计算，对二次发射微波电子枪的束流倍增特性作了研究。用1维模型计算了束流倍增与腔两极间距离以及腔中场强的关系，并详细给出了腔两极间距离为10mm,场强为5-4MV/m时出射电子纵向聚束及能量聚焦过程；利用3DRun程序研究了在高频场及粒子束本身空间电荷场的共同作用下，束流在3维运动过程中的倍增特性，计算了出射束流的发射度。通过计算表明：二次发射微波电子枪可以提供低发射度、高流强的电子束。     

多腔微波电子枪聚束腔作用分析

 分析了聚束腔中电场分布及电子的运动过程,使用RUNGE KUTTA法求出不同腔长时电子的俘获相位及不同初始相位电子的运动轨迹,讨论了加聚束段对减小电子反轰的作用。研制的4+1/2腔RF-gun使用首腔和第二加速腔作为聚束段,取得了高占空因子,较高束流功率的实验结果。     

冷阴极微波电子枪初步研究北大核心CSCD

基于场发射的冷阴极微波电子枪兼具光阴极微波电子枪和热阴极微波电子枪的优点,可望提供低发射度、低能散以及较高流强的电子束,应用于自由电子激光等领域。介绍了这种电子枪的特点,以及在中国工程物理研究院应用电子学研究所的研究进展。场发射通常要求非常高的电场强度,通过对金刚石薄膜进行掺杂,可以降低其有效功函数,从而在相对低的场强下获得足够高的发射电流。结合场发射的特点,从腔型、反轰、加速效率以及束流孔径等方面对冷阴极微波电子枪进行了设计,并给出了初步的设计结果。利用粒子模拟程序对该电子枪的场发射情况进行了模拟,结果表明有望获得发射度很低的电子束团。     

高能光源增强器束流横向尺寸测量系统设计

高能同步辐射光源的增强器将直线加速器注入的束流加速到储存环所需的能量,为储存环提供高品质的电子束。为了对增强器的束流横向截面尺寸、发射度及能散进行测量,设计了两条可见光-紫外波段的束测光束线。两条光束线分别选取无色散和色散较大的两处弯铁位置作为光源点,使用两套同步光成像系统来监测光源点的束流截面尺寸,并计算束流发射度及能散。介绍了同步光引出真空室及光学成像系统,对影响成像质量的空间分辨率进行了分析,并针对升能过程中不同能量下束流光斑变化的测量进行了设计。     

光阴极RF腔注入器束流发射度研究

 分析了光阴极RF腔注入器中的RF场效应和空间电荷效应，给出了电子在加速腔中束流发射度的解析表达式，它说明在加速过程中束流发射度是振荡变化的。利用SUPERFISH和GPT程序模拟计算了光阴极1+1/2腔注入器输出束流发射度与加速场强、注入相位、束团大小和形状、束团电荷的关系。适当选择这些条件，可以获得横向发射度小于2πmm·mrad 的输出束流。     

驻波加速管中的电子反轰现象

在以半腔为首腔的边耦合驻波加速管中观察到了电子反轰现象,由于电子反轰的结果,导致电于枪发射电流非正常增长。本文从纵向运动方程出发,用相轨道方法分析了驻波加速管中的电子反轰运动,并计算了不同电场分布、不同电场幅值及不同注入电压对电子反轰的影响。     

混频＋m腔微波电子枪束流动力学特性

为了使自由电子激光器的电子束注入器具有小的能散，小的横向发射度、高的亮度，本文提出在　腔的微波电子枪中采用混频腔技术，并用解析方法研究了混频加速的　腔方案的动力学特性，所导出的表达式说明此方案能改善束流的纵向和横向粒子动力学性能；为了对比，还借助于ＰＡＲＭＥＬＡ程序对此方案进行了束流动力学模拟，结论与导出的解析表达式结果一致．     

用于远红外FEL的直线加速器物理模拟计算

波长在２００μｍ附近的自由电子激光对电子束品质有特别要求，不仅要求较长的束流微脉冲，而且对流强、能散度以及束流参数对加速器噪声的稳定性等都有很高的要求。我们采用ＰＡＲＭＥＬＡ程序，对一台由１０８ＭＨｚ分频预聚束器、９腔１３００ＭＨｚ聚束加速段和９腔１３００ＭＨｚ加速段组成的加速器进行了大量模拟计算，得到了满足ＦＥＬ要求的物理设计方案和对加速器各部件稳定性的要求指标。     

高压直流连续波光阴极注入器中电子束流发射度研究

 高平均功率自由电子激光研究中，电子束质量是关键。针对高平均功率自由电子激光目标参数，提出了直流高压连续波光阴极注入器，给出了注入器的束流动力学过程。为了降低输出束流横向发射度，采用特殊结构设计的静电加速腔，加速电压1MV，最大加速梯度10MV/m。用PARMELA程序进行了粒子动力学模拟，电子束束团电荷为0.5nC，束团长度10ps时，注入器输出束流归一化发射度均方根值为5.8mm·mrad。     

基于单个四条带BPM的非拦截式能散度测量方法

能散度是反映束流品质的重要参数,采用传统测量方法测量时打到靶上的束流不能得到利用,测得的数据也是多个宏脉冲的平均值,利用该方法的测量结果进行束流调节时,要等待荧光靶从束流轨道中反复插入和提出,调节时间很长。基于单个四条带束流位置检测器,结合发射度测量的方法,实现了非拦截式能散度测量方法。该方法能在不加入额外设备的情况下对每个束流宏脉冲的能散度进行测量,测量结果与传统的拦截式测量方法结果相吻合。进行了误差分析,指出为了减小测量系统误差,需要尽可能使束流通过束流位置检测器中心。