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。     

射频腔光阴极注入器发射度研究

 在激光驱动的光阴极注入器产生的高亮度电子束中，空间电荷引起发射度的增长。分析了射频腔中引起发射度增长的因素以及解决这个问题的办法——在射频腔的阴极附近加一个螺旋聚焦磁场进行补偿，也给出了补偿后电子束的发射度并和数值模拟结果进行比较，实验测试表明，所得结果比较符合。     

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。     

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.     

狭缝法合肥光源高亮度注入器发射度测量系统

为了测量受空间电荷效应支配的发射度,合肥光源高亮度注入器采用了狭缝法进行测量,研究了基于狭缝法发射度测量系统的构成,并以实例比较了单狭缝和多狭缝在发射度测量系统中的应用。两种测量方法的结果表明:单狭缝法测量的结果更接近于模拟计算值,可有效避免子束团之间的重叠,适用范围更广。实验结果表明:在240 pC电荷量情况下,合肥光源高亮度注入器仍然具有较小的归一化发射度,为（1.840.085） mmmrad。     

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。     

直线加速器中的非线性空间电荷效应和发射度增长

直线加速器中束团的非线性空间电荷效应是引起发射度增长的重要原因之一.根据计算在屏蔽筒中非均匀分布京团的空间电荷效应的普遍方法,推导了直线加速器圆波导中几种非均匀分布束团的非线性场能公式,并给出数值计算结果.讨论了由非线性所引起发射度增长.     

直线加速器中的非线性空间电荷效应和发射度增长

直线加速器中束团的非线性空间电荷效应是引起发射度增长的重要原因之一．根据计算在屏蔽筒中非均匀分布京团的空间电荷效应的普遍方法，推导了直线加速器圆波导中几种非均匀分布束团的非线性场能公式，并给出数值计算结果．讨论了由非线性所引起发射度增长．     

北京大学ERL装置交汇段的研究与设计

 在交汇段设计理论的基础上，针对北京大学ERL的具体情况，对交汇段的束流传输结构进行了优化设计，通过模拟得到了满足要求的一组设计参数；研究了空间电荷效应以及相干同步辐射对束流发射度、能散及包络的影响。结果表明：空间电荷效应对发射度影响不大，但对束流包络影响较明显；相干同步辐射引起的发射度增长及能散较小，且不影响束流包络。     

空间电荷效应对热场致发射中诺廷汉效应的影响

热场致发射阴极所产生的强流电子束具有很强的空间电荷效应,为研究该效应对热场致发射过程中诺廷汉（Nottingham）效应的影响机理,在理论分析的基础上,用数值方法研究了不同逸出功和多个外加电场条件下考虑空间电荷效应对诺廷汉效应结果的影响,并与不考虑空间电荷效应时的情形进行了对比. 结果表明：空间电荷效应的强弱会显著影响到阴极表面的稳态电场,进而对诺廷汉效应产生不可忽略的影响;当逸出功在3.0–4.52 eV、外加电场在3×10⁹–9×10⁹ V/m范围内时,考虑空间电荷效应的影响后,热场致发射电子所带走的平均能量较不考虑空间电荷效应时增加0–2.5 eV,且温度越高或外加电场越大时,该增加值越大;考虑空间电荷效应对诺廷汉效应的影响后,热场致发射电子从阴极带走的平均能量随外加电场的增加呈非线性下降规律;当阴极表面温度较高时,诺廷汉效应中的冷却效应随二极管间隙距离的变大而增强. 关键词： 热场致发射 诺廷汉效应 空间电荷效应 阴极表面电场     

A method to measure the nonlinear force caused emittance growth in a RF photoinjector

Based on the multi-slit method, a new method is introduced to measure the non linear force caused emittance growth in a RF photoinjector. It is possible to reconstruct the phase space of a beam under some conditions by the multi-slit method. Based on the reconstructed phase space, besides the emittance, the emittance growth from the distortion of the phase space can also be measured. The emittance growth results from the effects of nonlinear force acting on electron, which is very important for the high quality beam in a RF photoinjector.     

基于螺线管扫描法进行电磁叠加场中热发射度测量的仿真分析

在一种猝发高重频的X射线自由电子激光（XFEL）装置中,由于受到光阴极注入器内补偿螺线管与电子枪之间特殊结构的限制,阴极附近电场与磁场为叠加状态。实验中需要对阴极热发射度进行测量,而测量热发射度常用的螺线管扫描法基于几何发射度不变的前提,无法直接应用于电磁场叠加的结构。针对这一问题,考虑到归一化过程可以剔除电场对发射度的影响,基于此,研究归一化相空间中应用的螺线管扫描法,并通过仿真计算与分析,最终证明该方法适用于电磁叠加场中阴极热发射度的测量。     

Simulation study on the emittance compensation of off-axis emitted beam in RF photoinjector

To make full use of the photocathode material and improve its quantum efficiency lifetime, it can be necessary to operate the laser away from the cathode center in photoinjectors. In RF guns, the off-axis emitted beam will see a time-dependent RF effect, which would generate a significant growth in transverse emittance. It has been demonstrated that such an emittance growth can be almost completely compensated by orienting the beam on a proper orbit in the downstream RF cavities along the injector [1]. In this paper we analyze in detail the simulation techniques used in reference [1] and the issues associated with them. The optimization of photoinjector systems involving off-axis beams is a challenging problem. To solve this problem, one needs advanced simulation tools including both genetic algorithms and an efficient algorithm for 3D space charge. In this paper, we report on simulation studies where the two codes ASTRA and IMPACT-T are used jointly to overcome these challenges, in order to optimize a system designed to compensate for the emittance growth in a beam emitted off axis.     

作为BEPCII预注入器的光阴极注入器

 为了提高并且采用双束加速技术以进一步提高BEPCII正电子从直线加速器注入到储存环的速率,BEPCII(Beijing Electron Positron Collider Upgrade Project) 正在建造带有两个次谐波聚束腔的新预注入器。提出了使用光阴极注入器作为BEPCII预注入器的新方案,其性能优于次谐波聚束系统：发射度和能散至多为次谐波聚束系统的1/4,100%的传输效率,没有卫星束团的干扰,等。此外,还分别对光阴极注入器在高电荷量和低电荷量两种情况下的束流动力学进行了模拟计算和优化研究,并将其性能与正在建造的次谐波聚束系统和旧聚束系统的性能进行了比较和讨论。由此光阴极注入器产生的电子束还可以在将来用作激光-等离子体或激光-非传导性加速结构的尾场加速研究。     

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     

Simulation Study of High Intensity S-Band Photoinjector

In this paper, we report the results of simulation study of KEK/U.Tokyo S-Band photoinjector under the present new experimental condition. The aim of the simulation study is to transport high bunch charge with low emittance evolution.     

光阴极微波电子枪中发射度补偿及模拟计算

介绍了上海深紫外自由电子激光用光阴极微波电子枪采用发射度补偿技术的结果 .详细分析了线性空间电荷力的特点及对束流发射度的影响 ,从束流动力学和相空间两方面讨论了发射度补偿原理 .给出了补偿线圈的设计结构及其轴向场分布 .利用PARMELA程序对补偿效果作了模拟计算 .结果表明 ,设计的腔体对单圈 1 .5nC束团 ,在枪出口后 1 .2m处 ,电子能量为 5 .7MeV ,横向归一化发射度εn ,RMS=1 .61 2πmm·mrad. The emittance compensation technology will be used on the photo cathode RF gun for Shanghai SDUV FEL. In this paper, the space charge force and its effect on electron beam transverse emittance in RF gunis is studied, the principle of emittance compensation in phase space is discussed. We have designed a compensation solenoid and calulated its magnetic field distribution. Its performance has been studied by the code PARMELA. A simulation result indicates that the normalized transverse RMS emi...