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.     

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。     

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。     

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。     

光阴极注入器驱动激光器的调试与测量

光阴极注入器可产生高亮度电子源，广泛用于自由电子激光研究中。光阴极注入器包括：驱动激光器、光阴极制备室、光阴极RF腔、高功率微波功率源及测试设备等，其中驱动激光器的性能和工作稳定性是影响实验成功的关键。由于泵浦二极管的性能明显下降，种子光振荡器的输出降低，导致光阴极注人器输出束流降低，为恢复光阴极注入器的性能，更换了激光二极管，将新的激光二极管泵浦模块安装好以后，要对驱动激光系统进行仔细的调试与测量。     

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.     

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.     

北京大学高功率相干Terahertz光源设计

给出北京大学射频超导组拟建的准单色、高平均功率、波长可调的相干THz光源的系统设计. 该装置是根据相干扭摆器自发辐射原理, 采用自主原创的DC-SC超导光阴极注入器提供的高品质电子束经过磁压缩单次通过扭摆器产生0.25—0.5THz之间的光. 该装置提供的THz光具有波长连续可调、功率高、相干性好、单色性好、线偏振等特点, 为生物、医学、材料科学、通信等领域提供强有力的研究工具.     

北京大学高平均流强光阴极电子枪驱动激光系统

DC-SC超导光阴极注入器将直流光阴极电子枪和超导加速腔结合在一起,其特点之一是适合于提供高平均流强电子束.文中介绍了直流光阴极电子枪的驱动激光系统的研制.该驱动激光系统的主机为瑞士TBP公司的GE-100-XHP型激光器,是采用可饱和吸收镜技术的被动锁模激光器,其工作晶体为Nd:YVO₄,输出波长为1064nm,脉冲重复频率为81.25MHz,平均功率10W.该驱动激光系统配套的CLX-1100同步控制器可以将激光脉冲与射频参考信号严格锁定,随机抖动不大于1ps.根据使用要求,作者研制了高效的激光倍频器,获得了大于1W的266nm紫外激光.同时,激光到光阴极的传输设计中,采用了傅立叶光学技术,在紫外激光功率650mW左右的条件下,从自行研制的Cs₂Te光阴极上实现了大于500μA的光电流引出     

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.     

S波段速调管双间隙输出腔的设计和实验研究

 介绍了S波段强流相对论速调管放大器(RKA)双间隙输出腔高频系统的设计,并利用3维粒子模拟程序模拟和优化了短脉冲强流相对论调制电子束经过双间隙输出腔后的微波提取。在束压640 kV、束流6 kA、基波调制深度80%的条件下,模拟得到功率为1.1 GW的微波,频率约为2.85 GHz,效率28%。在高频分析和粒子模拟的基础上进行了实验研究,实验中采用束压640 kV、束流6 kA的环行电子束,经过优化调节RKA参数,在中间腔后得到了约4.6 kA的基波调制电流,加上双间隙提取腔后从该RKA获得了频率为2.9 GHz、功率为1 GW、脉宽22 ns的输出微波,束波转换效率26%。     

相对论Klystron双流放大器电子注的成形

 相对论双流放大器是一种结构简单、高效率的高功率微波器件。其作用机理是沿同一方向传播的两束同心的环形电子束之间的双流不稳定性。这种双流不稳定性导致两个电子束之间的能量交换,最后由输出腔变成微波放大输出。相对论双流放大器成功的关键之一就是同一方向传播的两束同心的环形电子束的成形,利用MAGIC粒子模拟程序,对相对论双流放大器电子注的成形进行了粒子模拟。通过粒子模拟,证实了选择合适的参数来形成两束环形同心束是可行的。     

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%.     

Pulse compression in radio frequency photoinjectors-applications toadvanced accelerators

While RF photoinjectors are an excellent source of high brightness electron beams, there are constraints to tying together the expected emittance and peak current performance of a given photoinjector system. These constraints, which arise from the complicated dynamics of the electrons due to the interplay of RF and space-charge forces within the photoinjector, tend to favor lower peak current operation. For some ultimate uses of photoinjector beams, such as linear collider test beams, wakefield accelerators, and free-electron lasers (FEL's), one may desire much higher peak currents. In this case, an inexpensive and reliable method for producing extremely short high-current electron bunches is to use magnetic compression. We examine this scheme analytically and by computer simulation. Many applications are illustrated, including the TESLA Test Facility/FEL injector, ultra-high current beams for plasma wakefields and generation of femtosecond electron pulses for injection into short wavelength laser-based accelerators. It is shown that the injection timing jitter associated with the laser can be nearly eliminated using this scheme, making it an indispensable component in many of the advanced accelerator injectors we consider