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。     

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。     

W–band光注入器的模拟研究

模拟研究了1.6个腔、高梯度的W-band光阴极微波电子枪系统,该系统能产生和加速300pC的电子束团.设计系统由频率91.392GHz光阴极微波电子枪以及频率91.392GHz行波加速结构组成.基于射频直线加速器标度律与数值模拟结果,设计系统能产生能量1.74MeV,电量300pC,束团长度0.72ps,归一化横向发射度0.55mm·mrad的电子束团.研究了高频、高梯度下的束流动力学.由于高梯度,有质动力效应在束流动力学中起重要作用,且由于横向与纵向之间的耦合,在基次空间谐波的情形下,仍然存在着有质动力聚焦效应.     

BEPCII电子枪系统设计

 BEPCII改进工程需要更高流强的电子枪。新电子枪系统的物理设计、机械设计、控制系统设计等均进行了描述。电子枪的设计发射电流在脉宽为1 ns时大于10 A，重复频率50 Hz。将会采用脉冲电源来为电子枪提供最高200 kV的脉冲高压。在设计阶段，电子枪的几何结构和束流传输过程利用计算机模拟进行了优化。EGUN和DGUN的计算结果表明导流系数为0.22 mA·V^-3/2，电子枪出口的发射度为16 p·mm·mrad。PARMELA的模拟结果表明束流能顺利地传输至第一根加速管末端，捕获效率为67%，出口的均方根发射度为25 mm·mrad。基于EPICS平台的电子枪控制系统设计也已完成，提供了全新的双脉冲运行模式和2.5 μs长脉冲运行模式。     

用修正三梯度法测量束流发射度

 介绍了修正三梯度法的原理和利用该方法测量发射度的实验装置。编写了基于束包络方程的数值拟合程序，并进行了模拟计算。用修正三梯度法对3.5MeV注入器出口处脉冲电子束的发射度做了时间分辨的测量。结果表明，当空间电荷力不可忽略时，该注入器输出的电子束脉冲期间中间部分束的发射度为1 040π·mm·mrad。     

砷化镓光阴极直流高压注入器研究进展

主要介绍自由电子激光相干强太赫兹源(FEL-THz)装置上的砷化镓光阴极直流高压注入器的研究进展,并讨论其驱动未来高重复频率短波长自由电子激光器的差距。通过综合砷化镓阴极寿命的三大影响因素,提出了其工作寿命的定性物理模型;通过该模型对阴极和注入器进行优化,在直流高压电子枪上得到了5mA,32min的连续稳定输出;测量了电子束在4.8mA下归一化发射度约为4.0πmm·mrad,阴极热发射度约为0.6πmm·mrad,电子束本征横向能量约为92meV,250keV电子束在距离阴极90.6cm处纵向均方根长度约为11.5ps。这一束流状态已经基本满足FEL-THz需求。     

合肥软X射线波段自由电子激光注入器模拟优化

合肥软X射线波段自由电子激光项目是基于直线加速器的软X射线光源. 其注入器由光阴极微波电子枪与两个直线加速3米段构成. 光阴极微波电子枪产生束团电荷量1nc、峰值流强100A、重复频率10Hz电子束流, 并利用螺线管磁场在其出口处进行发射度补偿, 在经过一段漂移距离后电子束流进入增强直线段加速. 使在低能端由于空间电荷效应产生的横向发射度增长基本被完全补偿. 本文中利用PARMELA对注入器进行了模拟计算, 对发射度的补偿效果进行了优化, 同时对注入器内各元件的布置也进行了优化. 在注入器出口可以得到归一化横向发射度小于1.5mm.mrad的低发射度束流.     

高压直流连续波光阴极注入器中发射度补偿

空间电荷效应是引起发射度增长的主要因素,特别是在高压直流连续波光阴极注入器中。分析了高压直流连续波光阴极注入器中线性空间电荷力的特点及其对电子束横向发射度的影响,并从理论上解析地研究了螺线管发射度补偿的原理及特点。最后利用Parmela程序对中国工程物理研究院高压直流连续波光阴极注入器的发射度补偿作了模拟计算。结果表明,束团电荷量为80 pC的电子束在350 keV高压直流电子枪出口处的横向归一化发射度为5.14 mmmrad,经过螺线管补偿后,其最小横向发射度变为1.27 mmmrad。电子束的发射度得到了很好的补偿。     

DC-SC光阴极注入器的束载实验的调试进展

 北京大学射频超导实验室设计了新型超导光电子枪——DC-SC光阴极注入器，目标是为自由电子激光平台提供能量在2~3MeV，脉宽小于10ps，脉冲重复频率为81.25MHz，平均流强约为1mA的低发射度电子束。现在已经建成了DC-SC光阴极注入器实验平台，包括激光驱动光阴极系统，Pierce直流高压加速结构，1.3GHz 1＋1/2纯铌超导腔，恒温器低温系统，4.5kW连续波微波系统，1/16分频与同步控制系统，束流诊断系统和能量分析系统等。并且完成了超导腔的静态实验，直流加速结构也经过了100μA低电流测试。实验结果符合设计要求，整体调试后即可以进行束载实验。     

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。     

紧凑型高平均流强光阴极注入器

根据北京大学1+1/2单元超导腔直流--超导(DC-SC)光阴极注入器的实验研究结果, 证明了这种新型光阴极注入器的可行性, 在此基础上对这种新型注入器进行了升级设计, 使之成为实用的紧凑型高平均流强的光阴极注入器, 为北京大学自由电子激光装置提供品质良好的电子束流. 给出了升级的3+1/2单元超导腔注入器的详细设计, 包括注入器核心结构的电磁场设计、束流动力学模拟、机械设计. 并对整个注入器的恒温器进行了初步设计.     

Design study of a L-band DC photocathode gun

In this paper, we the design study of a L-band DC photocathode gun injector for the ERL (Energy Recovery Linac) test facility. The main parameters of the injector are energy of 2.3 MeV, a bunch length of 2 ps, and a normalized emittance of 2.1 mm.mrad.     

Ultra-low emittance X-band photocathode RF gun

In this paper, we present the simulation results of a 1.6 cell X-band photocathode RF gun for ultra-low emittance electron beams. It will work at 9.3 GHz. The emittance, bunch length, electron energy and energy spread at the gun exit are optimized at bunch charge of 1pC using PARMELA. Electron bunches with emittance about 0.1 mm·mrad and bunch length less than 100 fs can be obtained from this gun. A PITZ type coupler is adopted in this gun and an initial simulation by MAFIA is also given in this paper.     

Physical design of FEL injector based on the performance-enhanced EC-ITC RF gun

To meet the requirements of high performance THz-FEL (Free Electron Laser), a compact scheme of FEL injector was proposed. A thermionic cathode was chosen to emit electrons instead of a photo-cathode with its complex structure and high cost. The effective bunch charge was improved to ～200 pC by adopting an enhanced EC-ITC (External Cathode Independently Tunable Cells) RF gun to extract micro-bunches; back bombardment effects were almost eliminated as well. Constant gradient accelerator structures were designed to improve energy to ～14 MeV, while the focusing system was applied for emittance suppressing and bunch state maintenance. The physical design and beam dynamics of the key components for the FEL injector were analyzed. Furthermore, start-to-end simulations with multi-pulses were performed using homemade MATLAB and Parmela. The results show that continual high brightness electron bunches with a low energy spread and emittance could be obtained stably.     

Experimental verification of laser photocathode RF gun as aninjector for a laser plasma accelerator

The feasibility of the laser photocathode RF gun, BNL/GUN-IV, as an injector for a laser plasma accelerator was investigated at the subpicosecond S-band twin linac system of the Nuclear Engineering Research Laboratory, University of Tokyo. Electron beam energy of 16 MeV, emittance of 6π mm mrad, bunch length of 240 fs (FWHM), and charge per bunch of 350 pC were confirmed at 10 Hz. As for diagnosis of the femtosecond electron bunch, the quantitative comparison of performance of the femtosecond streak camera, the coherent transition radiation (CTR) Michelson interferometer, and the far-infrared polychromator was carried out. We concluded that the streak camera is the most reliable up to 200 fs and that the polychromator is the best for the shorter electron bunch. The 3.5-ps (rms) resolved synchronization between the YLF laser driver for the gun and the electron bunch was achieved. Based on the above experiences, we have designed and installed a much better laser-electron synchronization system using the Kerr-lens mode-locked Ti:Sapphire laser with the min harmonics synchrolocker and the stable 15-MW klystron. The timing jitter is expected to be suppressed down to 320 fs (rms)     

Design studies on a 500 kV DC gun photo-injector for the BXERL test facility

BXERL is a proposal for a test facility(Beijing X-ray Energy Recovery Linac),which requires its injector to provide an electron beam of 5 MeV,77 pC/ bunch at a repetition rate of 130 MHz(average current of 10 mA).In this paper,we present the design of the injector,which consists of a 500 kV photocathodeDC gun equipped with a GaAs cathode preparation device,a 1.3 GHz normal conducting RF buncher,two solenoids,and one cryomodule containing two 1.3 GHz 2-cell superconducting RF cavities as the energy booster.The detailed beam dynamics show that the injector can generate electron bunches with a RMS normalized emittance of 1.49 7rmm-mrad,a bunch length of 0.67 mm,a beam energy of 5 MeV and an energy spread of 0.72%.     

3.5 MeV无箔注入器束流调试

 3.5 MeV 注入器是“神龙一号”直线感应加速器的束源，在注入器束流调试中，首先通过数值模拟方法，初步确定束流过聚焦和聚焦不足两种极端情况下引出线圈输运磁场峰值的变化范围；然后以注入器出口束流波形为参考，通过实验调试找到了这两种情况下引出线圈输运磁场峰值的实际配置；再通过测量束流的剖面或发射度，在这两种配置中选定一个折中的引出线圈磁场配置，并最终确定了注入器输运磁场的总体配置。经过调试完成后的注入器束流为3.6 MeV，流强为2.8 kA，归一化边发射度为1 040 mm·mrad，达到了预期的指标。