用于高平均功率自由电子激光器的DC–RF超导腔注入器

北京大学超导加速器实验室提出了新型DC?RF超导腔注入器的设计方案.该注入器由皮尔斯引出结构、1+1/2超导腔组成,可以提供高品质的、CW模式或高占空比(1%以上)的电子束.对该注入器进行了分析计算和设计研究,通过改变超导腔首腔腔形以增加聚焦效果,采取措施缩短阴极到超导腔的距离,从而有效地抑制束流发射度的增长.用PARMELA对该注入器进行束流动力学研究,以确定皮尔斯引出结构的形状以及超导腔的同步相位.计算结果表明这种用于高平均功率自由电子激光的注入器的设计方案是可行的.     

1+1/2 Cell超导加速腔的本征高阶模场分布研究

为实现高平均流强加速, 需要有效地消除超导加速腔中的高阶模场. 为研制有效的高阶模耦合器, 本文对北京大学DC-SC光阴极超导注入器的核心部件—1+1/2 cell超导加速腔中高阶模场进行了分析研究, 用HFSS程序计算给出前31个高阶模场参数, 与实验测量较为符合. HFSS计算与Superfish计算结果比较符合很好, 验证用HFSS计算可靠, 为以后超导腔的升级研究提供有效的手段.     

北京大学光阴极注入器3+1/2超导腔机械性能

 介绍了北京大学光阴极注入器的核心部件3+1/2超导腔的机械性能的设计，通过ANSYS和SUPERFISH程序优化加强筋的个数和位置，解决了超导腔在脉冲条件下由于洛仑兹力引起的超导腔失谐以及当超导腔进行低温调谐时场平滑度变化过大的问题，同时针对复杂超导腔结构进行了低温调谐结构的设计。     

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。     

用于高平均功率FEL的DC-SC光阴极注入器

 为获得用于高平均功率自由电子激光（FEL）的高平均流强电子束，设计了一种新型的DC-SC光阴极注入器。该注入器由皮尔斯直流引出结构、1+1/2超导腔和同轴功率耦合系统组成，可以提供高品质、CW模式或高占空比的电子束。对DC-SC光阴极注入器进行了优化设计和束流动力学研究。模拟和优化结果表明DC-SC光阴极注入器完全可以用于高平均功率自由电子激光。模型腔实验验证了理论模拟的可靠性。     

高亮度1（1／2）超导腔光阴极注入器的腔形设计

对高亮度1 1/2超导腔光阴极注入器进行了腔形的概念研究设计。通过计算比较发现,重入腔的轴电场分布特性,使它很适合做超导光阴极注入器的首腔。我们还通过模拟计算,研究了电子束动力学各种参数的相互依赖关系,最后我们给出1 1/2腔的一组腔及束动力学参数。     

可变参数磁压缩系统设计

北京大学30MeV超导加速器包含3个RF加速单元: 自主研发的1.5cell DC-SC(直流-超导)注入器, 经过升级的3.5cell DC-SC注入器, 以及1.3GHz 2×9cell Telsa型超导加速腔. 为充分利用该装置上高品质电子束, 计划压缩1.5cell注入器出口电子束用于产生相干THz光, 以及压缩2×9cell超导加速腔出口电子束产生红外自由电子激光. 通过理论计算及模拟计算相结合设计了一套可变参数磁压缩系统, 该系统可以同时满足两个RF加速单元后束团压缩的要求.     

光阴极注入器型能量回收射频加速器

 光阴极注入器型能量回收射频加速器（PERL）是新一代加速器，在高平均功率自由电子激光和下一代高亮度光源等研究中有很好的应用前景。分析了PERL的强流与高平均功率特性，对注入器输出束流品质的要求及光阴极注入器、超导加速腔等关键技术进行了研究，设计分析了一种特殊结构的高压DC Gun光阴极注入器，能有效地提高DC加速腔中的加速场强，当高压为1MV和加速场达到10MV/m时，产生的电子束流能够基本满足PERL应用要求。同一超导加速段中的束流加速和能量回收的数值模拟计算结果表明，能获得高效率电子束流能量回收效果。     

北京大学DC-SC光阴极注入器的升级设计

 基于直流电子枪-超导加速腔（DC-SC）光阴极注入器样机的初步实验结果，北京大学提出了新的注入器的改进设计。新注入器核心结构包括皮尔斯枪和3+1/2超导腔。文章给出了它们的详细结构参数，然后采用程序，对注入器的束流动力学进行了模拟。结果发现：新注入器可以提供具有高束流品质、高平均流强的电子束，束团的电荷量100 pC，横向发射度低于2 mm·mrad,脉宽5 ps,rms束斑可达0.5 mm，重复频率81.25 MHz；也可以提供电荷量为300 pC低重复频率的高峰值流强的电子束，其横向发射度小于3 mm·mrad,脉宽约为9 ps，以满足北京大学自由电子激光（PKU-FEL）实验平台的要求。     

光阴极RF腔中微波过程研究

由于光阴极RF腔注入器中电子束的脉冲结构由激光控制的特点,根据其电子束脉冲结构的特点,利用微波腔的等效电路,给出了这种微波腔中微波场变化公式,和关于光阴极RF腔的最佳耦合计算公式,并以CAEP光阴极RF腔注入器为例进行理论分析,给出这些变化对电子束参数(如能散度)的影响. 关键词： 光阴极RF腔注入器 光阴极 注入器 能散度     

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 photocathode DC 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 πmm·mrad, a bunch length of 0.67 mm, a beam energy of 5 MeV and an energy spread of 0.72%.     

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.     

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%.     

Amplitude and phase stability studies in a DC superconducting injector

The DC superconducting injector will be used in the PKU-THz facility which consists of a DC-gun and a 3+1/2-cell superconducting cavity. The cavity must accelerate the electron beam to 5.82 MeV which is susceptible to perturbations because of its narrow bandwidth. In this paper, the sources and influences of the perturbations in the 3+1/2-cell cavity are discussed. It is shown that the control system is essential for the cavity. The design of a feedback based digital RF low level control system for the 3+1/2-cell cavity is accomplished.     

TRIUMF ARIEL 电子直线加速器设计

 TRIUMF 的三期升级工程(ARIEL) 计划建造一个 50 MeV 平均流强为10 mA的电子直线加速器作为注入器,通过光裂反应生成放射性核素。电子直线加速器包括两个主要部分：注入器和后加速器,注入器完成电子能量从100 keV到10 MeV的转换,随后的后加速器将电子能量从10 MeV加速到50 MeV。电子源拟采用重复频率为650 MHz的热电子枪提供初始能量为100 keV,束长为 171 ps的电子束。束流动力学模拟了几种不同的设计方案以获得最优化的设计,模拟显示通过对腔体以及聚焦元件的仔细设计以及电子枪出射电子的参数选择, 电子束能量在达到50 MeV时束长可以被聚焦到 11.75 ps (对应于1.3 GHz 频率下5.5°) ,并且可以使电子束在超导低温柜中的尺寸保持在1.26 cm以下。     

L波段强流单束团注入器的束流动力学计算

自由电子激光器要求高亮度、低能散度的电子束注入波荡器(Undulator)。本文叙述提供高亮度电子束的高频电子直线加速器中的注入器部分的设计计算。注入器由L波段(1300MHz)的十二分频和三分频两个谐振腔预聚束器和一个基波频率的变相速聚束器组成。粒子运动方程中考虑了空间电荷效应和束流负载效应。电子枪的注入参数:脉冲宽度T=4ns;电流I=5A;电子的初始动能E_0=100keV;电子束分布为高斯型。参数优化设计结果:单束团宽度小于25ps,峰值电流达400A以上,电子的平均归一化能量>4,束团内的能量差小于200keV。     

BXERL photo-injector based on a 217 MHz normal conducting RF gun

The Beijing X-ray Energy Recovery Linac (BXERL) test facility is proposed in Institute of High Physics (IHEP). In this proposal, the main linac requires the injector to provide an electron beam with 5 MeV energy and 10 mA average current. An injector based on DC gun technology is the first candidate electron source for BXERL. However, the field emission in the DC gun cavity makes it much more difficult to increase the high voltage to more than 500 kV. Another technology based on a 217 MHz normal conducting RF gun is proposed as the backup injector for this test facility. We have designed this RF gun with 2D SUPERFISH code and 3D MICROWAVE STUDIO code. In this paper, we present the optimized design of the gun cavity, the gun RF parameters and the set-up of the whole injector system. The detailed beam dynamics have been done and the simulation results show that the injector can generate electron bunches with RMS normalized emittance 1.0 uppi mmcdotmrad, bunch length 0.77 mm, beam energy 5.0 MeV and energy spread 0.60%.     

新型跑道腔式束流位置监测器

系统提出了一种新的腔式束流位置监测器(BPM),即跑道型腔式BPM,并使用微波工作室软件进行了理论研究和模拟计算,提出了通用设计方法。跑道型腔式BPM的金属腔部分具有跑道形横截面,引出束流位置偏移激励起的一对偶极模式作为束流位置信号。该方案的偶极模式极化方向固定,频率分离,可以解决随机误差产生的横向串扰问题,其理论位置分辨力可以达到15 nm。