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 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%.     

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.     

BEPCⅡ Positron Source

BEPCⅡ— an upgrade project of the Beijing Electron Positron Collider (BEPC) is a factory type of e^＋e^－ collider. The fundamental requirements for its injector linac are the beam energy of 1.89GeV for on-energy injection and a 40mA positron beam current at the linac end with a low beam emittance of 1.6μm and a low energy spread of ±0.5% so as to guarantee a higher injection rate (≥50mA/min) to the storage ring. Since the positron flux is proportional to the primary electron beam power on the target, we will increase the electron gun current from 4A to 10A by using a new electron gun system and increase the primary electron energy from 120MeV to 240MeV. The positron source itself is an extremely important system for producing more positrons, including a positron converter target chamber, a 12kA flux modulator, the 7m focusing module with DC power supplies and the support. The new positron production linac from the electron gun to the positron source has been installed into the tunnel. In what follows, we will emphasize the positron source design, manufacture and tests.     

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.     

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。     

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。     

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。     

Triode Electron Gun of the LUE-200 Linear Accelerator,IREN Facility of the Laboratory of Neutron Physics,Joint Institute for Nuclear Research

Physics of Particles and Nuclei Letters - The electron injector (electron gun (EG)) is a triode system (cathode–control grid–anode with a second grid “wall”) with a grounded...     

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。     

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）。     

用于DC–SC超导光电子枪中的光阴极的研制

DC-SC超导光阴极微波电子枪是一种新型的高平均流强电子源,本文介绍了其中的关键部件—光阴极的研制.在自行研制的光阴极制备室里成功制备了两种光阴极:Cs₂Te和Cs₃Sb光阴极.Cs₂Te光阴极的寿命长,用266nm紫外光激发,量子效率QE>25%,真空中(1×10^－5Pa)寿命50h.Cs₃Sb光阴极是多层膜结构,用532nm激光激发,量子效率2%,真空中(10^－5Pa)寿命只有几个小时.两者都可以满足电子枪的设计要求,但是由于Cs₂Te光阴极更稳定,在目前的DC-SC超导光电子枪调试实验中采用这种光阴极     

Thermocathode radio-frequency gun for the Budker Institute of Nuclear Physics free-electron laser

A radio-frequency (RF) gun for a race-track microtron-recuperator injector driving the free-electron laser (FEL) (Budker Institute of Nuclear Physics) is being tested at a special stand. Electron bunches of the RF gun have an energy of up to 300 keV and a repetition rate of up to 90 MHz. The average electro-beam current can reach 100 mA in the continuous operation regime. The advantages of the new injector are as follows: long lifetime of the cathode for high average beam current; simple scheme of longitudinal beam bunching, which does not require an additional bunching resonator in the injector; absence of dark-current contamination of the injector beam; and comfortable RF gun operation due to the absence of a high potential of 300 kV at the cathode control circuits. In this study we describe the RF gun design, present the main characteristics of the injector with the RF gun, and give the results of testing.     

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。     

激光驱动高亮度电子束源

采用激光驱动光阴级和１００ｋＶ直流加速间隙可产生宽度为５０～１００ｐｓ的高亮度脉冲电子束．该装置主要由光阴极制备室和直流加速间隙组成．可以用化学气相沉积、离子注入和离子束增强沉积等方法制备光阴极．通过用ＥＧＵＮ和ＰＯＩＳＳＯＮ程序模拟,给出了直流加速间隙的物理设计．光源采用一台主被动双锁的Ｎｄ:ＹＡＧ激光器,可工作在１０６４、５３２和２６６ｎｍ三个波长,重复频率为１０Ｈｚ．此外,也论述了光阴极制备室与超与腔结合的超导高亮度注入器的有关问题. A DC high brigytness laser driven by photoemissive electron gun is being developed at Peking University,in order to produce 50～100ps electron bunches of high quality.The gun consists of a photocathode preparation chamber and a DC acceleration cavity.Different ways of fabricating photocathode,such as chemical vapor deposition,ion beam implantation and ion beam enhanced deposition,can be adopted.The acceleration gap is designed with the aid of simulation codes EGUN and POISSON,100kV DC high voltage is...     

NEPCⅡ新电子枪热结构分析与测试

北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCⅡ)要求其直线注入器提供更高的能量和流强, 为此必须设计大电流和小发射度的新电子枪, 以提高正电子的产额. 利用ANSYS对BEPCⅡ新电子枪的温度场分布及结构的热变形进行了模拟分析. 对于电子枪复杂的内部结构形态以及能量转换方式, 分析了传导传热方式对温度场的影响. 在此基础上进行了温度场与结构变形的耦合分析, 利用EGUN对电子枪形变前后束流光学特性进行模拟分析, 并对模拟结果与试验 测试结果进行了分析比较.     

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．     

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。     

直流光阴极注入器电子束壁损失初步研究

真空度被认为是影响GaAs阴极寿命的最重要参数之一,电子束在阴极附近的壁损失会导致真空度下降。基于高斯分布模型,研究了中国工程物理研究院自由电子激光相干强太赫兹源(FEL-THz)直流光阴极注入器电子束在束线管壁上的损失情况。通过理论分析、数值计算、束流动力学模拟、热力学分析及电子束初步出束实验研究,证明了FEL-THz电子束壁损失能达到W量级,必然引起真空度下降和阴极寿命缩短,这是目前限制出束的重要原因之一。研究表明,为维持电子束持续稳定工作,应将注入器阳极后的管道尺寸扩大到至少45mm。     

北京自由电子激光装置的设计研究

北京自由电子激光装置(BFEL)是一台工作在中红外区的康普顿型FEL振荡器。由一台30MeV的射频电子直线加速器提供电子束。特点之一是用微波电子枪作为高亮度注入器。本文首先概述了BFEL的一般情形和物理参数.接着用解析公式和模拟的方法论证了电子束的设计目标和激光器的运转特征。最后阐述了BFEL各部分采取的技术路线的特点,内容包括微波枪、加速器和微波系统、调制器、输运系统、摇摆磁铁、光学腔、电子束诊断、准直、自发辐射和激光实验。