外注入式独立调谐微波电子枪的概念设计

为得到微脉冲束团长度在百fs量级且高重复频率,设计了一种紧凑型的强流电子枪结构独立调谐微波热发射电子枪。该电子腔具有双驻波加速腔,两个驻波加速腔之间相互没有耦合,可以分别独立地馈入功率、调节相位。通过优化功率与相位,可以得到较优的束流品质,同时避免了磁铁和激光系统的使用,使得结构更加紧凑。并采用外注入式结构增大流强、降低能散度,同时消除电子反轰对阴极的负面影响。对不同结构参数的腔体进行1维和3维束流动力学计算,可以得到较为理想的腔体参数。通过调节预注入器的馈入功率和粒子入射相位,可以进一步的压缩束团长度。     

飞秒电子束装置的初步实验结果

 上海应用物理研究所建造并调试了一台飞秒电子束装置。这台装置主要由一把S波段热阴极微波电子枪、一台alpha磁铁和一根SLAC型加速管组成。这台装置可以产生能量为 20~30 MeV,峰值电流为100 A,微束团长度为250 fs的电子束。这篇文章报道了这台装置的调试和电子束团参数的测量。     

L波段射频加速器电子束微脉冲诊断

 利用切伦柯夫辐射的瞬时发光机理，把相对论电子束打在熔石英靶片上转化为可见光，再用皮秒扫描相机进行测量，就可得到射频直线加速器皮秒电子束微脉冲的峰值电流及微脉冲束团。采用该方法，对L波段射频直线加速器的电子束微脉冲宽度和束团结构进行了诊断。由此构建了一套加速器电子束微脉冲的在线测量系统，该系统对调整加速器工作状态、提高束流品质使之适应自由电子激光要求起到了重要作用。     

上海软X射线自由电子激光装置束流分配系统设计（英文）

束流分配系统是自由电子激光装置中至关重要的一部分,它可以将直线加速器产生的电子束团分配至不同的波荡器中。提出了一种基于上海软X射线自由电子激光装置的束流分配系统设计方案。针对该方案,详细介绍了三维从头至尾的束团跟踪模拟以及在传输过程中的束流动力学分析,模拟结果表明,该束流分配系统设计可以保证束流发射度增长小于8%,同时可以保证峰值电流、能散以及束团长度在经过该分配系统时未受到破坏。此外,针对束团在直线加速器中的微束团不稳定性和抖动也进行了分析。     

上海软X射线自由电子激光装置束流分配系统设计

束流分配系统是自由电子激光装置中至关重要的一部分,它可以将直线加速器产生的电子束团分配至不同的波荡器中。提出了一种基于上海软X射线自由电子激光装置的束流分配系统设计方案。针对该方案,详细介绍了三维从头至尾的束团跟踪模拟以及在传输过程中的束流动力学分析,模拟结果表明,该束流分配系统设计可以保证束流发射度增长小于8%,同时可以保证峰值电流、能散以及束团长度在经过该分配系统时未受到破坏。此外,针对束团在直线加速器中的微束团不稳定性和抖动也进行了分析。     

一种在线式电子束能量测量方法

针对直线感应电子加速器中的束流特点,设计了一种在线式电子束能量测量方法。该方法使用分析磁铁和束位置探测器对电子束团切片平均能量进行测量,避免了束团取样带来的误差及测量过程对束流的影响,可以实现电子能量的在线测量。使用该方法对某强流直线感应电子加速器的电子束团能量进行了测量,获得了电子束团切片平均能量随时间变化的曲线,能量测量不确定度为0.177 MeV,能散度测量不确定度为0.39%。     

激光加速质子束空间电荷力研究（英文）

激光加速器可以输出具有独特品质的质子束,例如μm尺寸、ps脉冲长度和高峰值电流。强流粒子束的空间电荷力效应较强,对面向应用的束流传输提出了挑战。通过二维PIC模拟研究了激光加速后与质子速度接近的电子的影响。采用椭球模型估算空间电荷力的影响,比较不同电荷分布的差异。结果表明每束团质子数超过10¹⁰后空间电荷力显著影响质子束传输,甚至严重破坏束流品质。空间电荷力的影响在20 ps后显著减弱,离开靶约1.2 mm。     

基于束流位置探测器的束团长度测量

分析了驱动电子束团的频域特性,研究了基于该特性进行长度测量的理论基础;使用三维模拟软件对束流位置探测器(BPM)进行建模,用模拟的方法对传输阻抗进行了数值计算;对不同长度的束团进行了测量和计算,并且分析了束团位置在真空管道中偏移对束团长度测量的影响。由测量结果可见,电子束团长度在10~100 ps(3~30 mm)时,测量误差均小于2%,满足中国工程物理研究院高平均功率自由电子激光太赫兹实验测量的使用要求。     

基于半导体光放大器和非线性光纤环镜的光脉冲压缩器的设计模型和理论分析

提出了一个基于半导体光放大器和级联的非线性光纤环镜（NOLM）相结合的光脉冲压缩器的设计模型.数值研究结果表明：通过合理选取NOLM的长度，利用该模型可将皮秒光脉冲压缩为无基座飞秒光脉冲. 关键词： 半导体光放大器 非线性光纤环镜 光脉冲压缩     

重复脉冲强流电子束传输技术研究

分析并推导出了环形强流电子束的稳定传输条件，通过静电磁场模拟计算对CHP01强流电子加速器二极管引导磁场的位形分布、幅值大小及磁场电源进行了优化设计.经实验调试及束斑测量，表明设计的1秒磁场满足束流稳定传输条件，能使电压800kV、电流8kA、脉冲宽度40ns、脉冲重复频率100Hz的环形强流电子束稳定传输，并已成功运用于CHP01强流电子加速器束流传输系统. 关键词： 束流传输 引导磁场 二极管 重复脉冲 电子束     

电子在α-磁铁中的运动描述

 由于α-磁铁具有能量选择和束团脉宽压缩的功能，它是RF-gun注入器中一个非常重要的组成部分。描述了α-磁铁的结构特点，讨论了电子在α-磁铁中运动的归一化方程。采用数值计算的方法给出了与电子运动能量无关的理想轨道运动方程，并导出了α-磁铁的主要性质。     

热阴极微波电子枪模拟计算

用模拟计算方法,研究了热阴极微波电子枪的束流动力学行为,采用笛卡尔坐标,编制了准三维模拟计算程序──HOTGUN.计算中除考虑了射频场外,还充分考虑了空间电荷效应(空间电荷场为轴对称场)、肖特基效应及稳态负载效应等.文中给出了HOTGUN程序与PARMELA部分模拟结果及中科院高能所自由电子激光室微波电子枪热测实验台部分实验结果的比较,最后以用于北京自由电子激光器的多腔热阴极微波电子枪为例,给出了详细的HOTGUN程序模拟计算结果.     

X波段准周期加载微波腔研究

 准周期加载微波腔的基本结构是周期结构，在强引导磁场作用下，强流电子束同微波强作用产生高功率微波；作用过程分为三个阶段：电子俘获、群聚和换能；而周期结构的作用主要在于电子俘获。适当设计的结构，不仅束波转换效率高，而且对电子束质量（如能散）的要求也不高。从微波场对电子运动的影响，研究了电子束在微波腔中的俘获、群聚和换能的束波互作用过程。基于760kV，7kA的环形电子束，采用准周期加载微波腔结构，在模拟上获得了X波段（9.3GHz）峰值功率为1.3GW的微波输出，效率接近24%。     

W–band光注入器的模拟研究

模拟研究了1.6个腔、高梯度的W-band光阴极微波电子枪系统,该系统能产生和加速300pC的电子束团.设计系统由频率91.392GHz光阴极微波电子枪以及频率91.392GHz行波加速结构组成.基于射频直线加速器标度律与数值模拟结果,设计系统能产生能量1.74MeV,电量300pC,束团长度0.72ps,归一化横向发射度0.55mm·mrad的电子束团.研究了高频、高梯度下的束流动力学.由于高梯度,有质动力效应在束流动力学中起重要作用,且由于横向与纵向之间的耦合,在基次空间谐波的情形下,仍然存在着有质动力聚焦效应.     

A new method to generate relativistic comb bunches with tunable subpicosecond spacing

We propose and analyze a scheme to produce comb bunches, i.e. a bunch consisting of micro-bunch trains, with tunable subpicosecond spacing. In the scheme, the electron beam is first deflected by a deflecting cavity which introduces a longitudinal-dependent linear transverse kick to the particles. After passing through a drift space, the transverse beam size is linearly coupled to the longitudinal position of the particle inside the beam, and a mask is placed there to tailor the beam, then the mask distribution is imprinted on the beam's longitudinal distribution. A quadrupole magnet and another deflecting cavity are used in the beam line to compensate the transverse angle due to the first deflecting cavity. Analysis shows that the number, length, and spacing of the trains can be controlled through the parameters of the deflecting cavity and the mask. Such electron bunch trains can be applied to an infrared free electron laser, a plasma-wakefield accelerator and a supper-radiance THz source.     

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%.     

参考粒子在α磁铁中的运动

给出参考粒子对α磁铁入出射角的理论计算, 以及参考粒子在均匀梯度磁场内运动轨迹的解析解, 从物理上解释了α磁铁的消色散原理.     

Bunch length measurement using a traveling wave RF deflector

RF deflectors can be used for bunch length measurement with high resolution. This paper describes a completed S-band traveling wave RF deflector and the bunch length measurement of the electron beam produced by the photocathode RF gun of the Shanghai DUV-FEL facility. This is the first time that such a transverse RF deflector has been developed and used to measure the bunch length of picosecond order in China. The deflector's VSWR is 1.06, the whole attenuation 0.5 dB, and the bandwidth 4.77 MHz for VSWR less than 1.1. With a laser pulse width of 8.5 ps, beam energy of 4.2 MeV, and bunch charge of 0.64 nC, the bunch lengths for different RF input power into the deflector were measured, and an averaged rms bunch length of 5.25 ps was obtained. A YAG crystal is used as a screen downstream of the deflector, with the calibrated value of 1 pix = 136 μm.     

Adiabatic plasma buncher

In this paper, we present a new scheme of injection into a plasma accelerator, aimed at producing a high-quality beam while relaxing the demands on the bunch length of the injected beam. The beam dynamics in the injector, consisting of a high-voltage pulsed photodiode, is analyzed and optimized to produce a λ_p/20 long electron bunch at 2.5 MeV. This bunch is injected into a plasma wave in which it compresses down to λ_p/100, while accelerating up to 250 MeV. This simultaneous bunching and acceleration of a high-quality beam requires a proper combination of injection energy and injection phase. Preliminary results from simulations are shown to assess the potentials of the scheme