X波段盘圈加速结构热阴极微波电子枪的研究

介绍了采用盘圈(DAW)加速结构在11.43GHz下研制的热阴极微波电子枪注入器，分析了注入器中DAW加速结构支撑杆对于微波特性的影响以及加速结构中的模式重叠问题. 针对该结构的强腔间耦合以及次临近耦合不能忽略的特点，对其调谐方法进行了分析研究.给出了该长腔链热阴极微波电子枪注入器的物理设计及粒子动力学计算结果，电子能量为5—6MeV，脉冲流强为40mA，电子束发射度为3.4πmm.mrad. 该微波电子枪的加工焊接已经完成，文中给出了其冷测结果.     

热阴极微波电子枪

本文首先介绍了高亮度注入器热阴极微波电子枪的发展情况和工作原理,然后对有关的物理及设计问题进行了讨论,给出部分模拟计算结果.并描述了实验研究的装置,给出了微波枪产生的电束流强,能谱等实验结果,该结果达到了设计要求.最后,讨论了热阴核微波枪存在的问题及改进方向.     

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.     

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。     

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。     

深度高斯过程辅助的光阴极注入器优化设计

环形正负电子对撞机（CEPC）对注入器出口处的束团的电荷量、横向发射度、纵向长度等指标提出了严格的要求，设计开发高性能的电子枪及注入器成为了重要挑战。为了得到满足指标的束流，必须同时考虑众多非线性且相互耦合的变量。基于光阴极微波电子枪，提出了一种用多目标遗传算法在高维参数空间进行搜索的方法，对束团的横向归一化发射度和纵向长度进行优化，以期将电子枪的性能发挥至极限。由于考虑空间电荷效应后的束团传输过程模拟计算非常耗时，我们构建了一个3层的深度高斯过程作为替代模型，以解决目标值计算开销大的问题。通过对影响束流横、纵向相空间演化的关键因素分析，共确定了16个几何参数和10个束流元件参数。最后，展示了对由一个L-band的常温微波电子枪、一对螺线管和一个行波加速管组成的注入器，在初始电荷量为10 nC的优化结果。在计算了8 000个有效解后，观察到在两个优化目标上均表现良好的解，其对应的横向归一化发射度为19.8π·mm·mrad，束团长度（RMS）为1.0 mm，与当前的设计结果比较，横向归一化发射度压低了约70%。     

用于BFEL的多腔热阴极微波电子枪的设计研究

详细介绍了用于北京自由电子激光器(BFEL)的多腔热阴极微波电子枪的物理设计以及模拟计算结果,给出了出束及热测实验研究结果.该微波电子枪采用双周期轴耦合驻波加速结构,由四个加速腔组成,工作在π/2模,工作频率为2856MHz.该枪在设计中采用了缩短首腔以及增加腔间漂移段等设计思想,大大减小了电子反轰功率,并有效地调节了电子束团的纵向特性.     

100 MeV电子直线加速器的物理设计

 能量为100 MeV左右的高性能电子直线加速器是第三代同步辐射光源注入器和自由电子激光注入器的重要组成部分,采用热阴极栅控电子枪、聚束系统和4根SLAC型加速管作为加速器主体结构,一套45 MW的速调管调制器系统和波导系统作为微波功率源系统。设计中,使用了国际通用的模拟软件对加速器的动力学特性进行了数值模拟和参数优化,电子束能量达到100 MeV以上,能散小于1%,归一化发射度小于30 mm·mrad。     

BEPCⅡ直线注入器重大改进进展

BEPCⅡ是“工厂”型的高亮度正负电子对撞机.它要求其直线注入器提供高能(1.89GeV)和强流(40mAe+,30 0mAe- )的正负电子束以实现全能量注入和高注入速率(5 0mA/min .e+) ,并要求直线注入器出口正负电子束的发射度低(1.6πmm·mrade+,0.2πmm·mrade- )、能散小(±0.5 % )以满足储存环接受度的要求.因此,必须对现有BEPC的直线注入器作重大改进,包括新电子枪及其束流调整系统、新正电子源及其磁号装置、新微波功率源及其相位控制系统、新的束流轨道和光路调整系统等.这些新系统和装置大多已完成了设计、研制、测试和试组装等,将在今年的春夏安装于隧道,并期望在年底前获得正负电子束.     

BEPCⅡ未来预注入器的优化研究

BEPCⅡ未来的预注入器由热阴极电子枪、两个次谐波聚束器(SHB)、行波预聚束器以及行波聚束器组成.除电子枪以外,各个部分都位于螺线管磁场中.使用PARMELA和EGUN程序模拟和优化了预注入器的束流动力学.对SHB的聚束电压和漂移距离、预聚束器与聚束器的相位和加速梯度、螺线管磁场的形状等都进行了细致的研究和优化,并讨论了聚束器出口10ps束长内电荷量的极限值.     

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.     

单晶LaB6阴极在微波电子枪中的应用

随着自由电子激光器的发展,高亮度微波电子枪越来越受到重视,为满足北京自由电子激光器注入器的要求,高能所进行了国内首台热阴极微波电子枪的实验研究,采用单晶LaB_6做阴极材料。本文描述了在研制过程中所解决的阴极表面处理、夹持、加热等一系列工艺问题,首次采用电子束焊的方法将LaB_6与基金属牢固结合,最后给出实验结果:阴极发射密度可达84A/cm~2,阴极寿命200h,加热灯丝寿命大于500h。     

325 MHz微波栅控高压型热阴极电子枪的设计研究

高重复频率、高平均流强的电子枪具有十分广泛的应用。设计了一台束团重复频率为325 MHz在CW模式工作的微波栅控高压型热阴极电子枪,并详细论述了该类型微波栅控电子枪的实验原理。在该类型电子枪的设计中,首先需要利用仿真模拟软件EGUN、POISSON（PoissonSuperfish）、GPT（General Particle Tracer）完成300 kV直流高压电子枪的结构设计,并进行束流动力学验证计算。为将微波馈入该直流电子枪的阴栅极之间,进行了该微波栅控电子枪的供电系统设计,完成了从射频功率源到同轴热阴极的阻抗匹配方案,设计了一种325 MHz双模式同轴供电器件,并进行了验证与分析。     

多腔热阴极微波电子枪的实验研究

详细介绍了用于北京自由电子激光器(BFEL)多腔热阴极微波电子枪的实验研究情况,通过对该微波电子枪出口脉冲电流波形和宏脉冲不同时间位置电子能谱的测量,表明该枪大大减小了电子反轰功率. 实验测量得到通过α磁铁的束流强度约为200mA,束流发射度约为20-30π·mm·mrad,并且,还将实验得到的能谱与模拟结果作了比较.     

1THz回旋管双阳极磁控注入电子枪的分析及设计

基于电子光学理论,通过编程进行大量的数值计算,设计了一支用于1THz回旋管的双阳极磁控注入式电子枪.对双阳极磁控注入电子枪的计算及设计进行了阐述,并对1 THz回旋管电子枪中高磁压缩比(f_m=125)可能导致电子反转的问题进行了详细的分析和模拟.通过对电子枪进行了仿真和优化,最后计算和设计了一支速度比适中(α=1.3),速度零散较小(Δβ<8%) 的电子枪.     

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。     

基于自由电子激光的小型太赫兹源初步设计

介绍了基于自由电子激光的太赫兹源的研究情况,提出了一种小型自由电子激光太赫兹源设计方案.采用独立调谐双腔热阴极微波电子枪,不需要α-磁铁及其他束团压缩装置,能够达到所需的束流品质,达到减小系统尺寸的目的.加速结构采用对称输入耦合器和同轴吸收负载输出耦合器,减少加速器的横向尺寸.采用混合永磁型波荡器,孔耦合输出的稳定球面光学谐振腔.介绍了该方案的初步设计和仿真计算.     

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。     

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。     

北京自由电子激光注入器输运线的设计与研制

注入器输运线由α磁铁、四极磁铁、真空盒和束测元件组成，对输运线中的物理问题诸如聚束、横向匹配、注入时间调整、准直误差等进行讨论。在介绍了各主要元件的性能之后，给出输运线设计参数和研制结果。