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。     

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）。     

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。     

FEL用注入器研制

注入器设计过程中主要关注的指标有微脉冲束流强度、电子能量、电子束能散度、反轰功率和发射度等。为了满足自由电子激光研究的需要，要求峰值流强大于5A。由于热阴极微波电子枪存在电子反轰，束流负载效应将引起能散度的增加，因此为了降低能散度，要求尽量降低反轰。利用Suoerfish程序进行了腔形优化设计，分析了加速腔内的电场分布，计算了腔壁的损耗。利用Parmela程序进行了束流动力学计算。为了提高首腔的电子俘获系数，减小电子反轰，设计过场中采用了缩短首腔长度，     

S波段束流相位探测腔与偏心式波导耦合预聚束器的设计

设计了工作于S波段的波导耦合型预聚束器和束流相位探测腔。为了增加功率容量,预聚束器采用波导耦合机制代替了传统的同轴耦合环耦合,而偏心圆结构的设计能够补偿因耦合窗口的引入导致的径向电场不对称,进一步改善了强流束流品质。预聚束器设计指标与测试结果:耦合系数1.73,空载品质因数2195,腔体谐振频率的可调范围为2 854.55~2 856.9 MHz。为实现测量束流相对射频脉冲的时间,进行强流输入功率补偿,选择了能够在线进行束流相位实时测量的束流相位探测腔,采用旋转对称结构,并通过两个同轴耦合环提取束流通过时激发的感应信号,作为直线相控系统的参考信号。束流相位探测腔设计与测试结果:空载品质因数2392,3dB带宽为2.05MHz,腔体谐振频率的可调范围为2 805.45~2 809.45MHz。所有器件的仿真设计与测试结果基本一致。     

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。     

合肥光源单束团下束团长度和能散的测量

 根据同步光与储存环中的束流信号具有相同的时间结构的原理,测量同步光脉冲的半高全宽值可以计算出束团的长度。根据合肥光源的特点和实际需要,选择快速光电接收器搭配高速高带宽示波器作为在线测量束团长度和纵向分布等的主要手段。对单束团模式下束团长度随流强和高频腔腔压的变化趋势进行了测量。测量结果表明：束团长度与腔压的0.3次方成反比,比理论值0.5小;而束团长度随流强的增长率为2.0 ps/mA。通过测量纵向量子寿命进行了能散随流强变化的间接测量,结果表明,束团的拉伸是能散变化和势阱效应共同作用的结果。     

BEPCⅡ直线加速器的误差和抖动效应

为达到BEPCⅡ 直线加速器的设计指标，系统地研究了误差和抖动(Jitter)效应对束流性能的影响。误差效应包括束流的初始偏轴和聚焦透镜偏轴导致的色差效应；束流的初始偏轴和加速结构偏轴导致的尾场效应等。主要的抖动效应包括相位漂移抖动和高频功率源中调制器电压的抖动影响等。确定了在BEPCⅡ直线加速器上对误差和抖动的限制，如来自电子枪的束流的初始偏轴应小于等于0.3 mm，加速结构和聚焦磁铁的安装误差应小于等于0.2 mm，相位漂移抖动误差应小于等于2°，调制器的电压抖动误差应小于等于0.1%。并进一步确认了必须采用相位控制系统和束流轨道校正系统，以抑制这些误差效应的影响，达到正、负电子束流能散度小于等于0.5% 和电子束束流发射度小于等于0.25 mm·mrad，正电子束束流发射度小于等于1.60 mm·mrad 的设计目标。     

用于微波电子枪的双重入腔及其阴极结构

介绍一台用于热阴极微波电子枪的双重入驻波腔及其阴极结构．根据微波枪束品质要求，首先定出腔体基本参数，然后报告了腔形、场分布、谐振频率、耦合度等的设计考虑，并给出腔体测量结果，最后介绍了阴极结构的设计．     

低反轰热阴极微波电子枪初步实验

 简述了紧凑型自由电子激光太赫兹源研制的系统设计方案,介绍了具有两路微波馈入的热阴极微波电子枪的研制与测试情况,利用束流传感器测试了束流强度,并利用CCD相机测试了束斑大小,给出了微波电子枪通过初步热测实验得到的结果。测得微波电子枪出口处束流强度超过500 mA,束斑约3 mm,采用双屏法测量束流发射度,得到归一化发射度约为13.5 π·mm·mrad,测试指标与理论设计值吻合较好。     

独立调谐热阴极微波电子枪实验研究

为了研制紧凑型自由电子激光装置,开展自由电子激光太赫兹技术研究,需要研制微波电子枪作为高品质电子束源,为此,中国工程物理研究院研制了独立调谐热阴极微波电子枪。在前期进行了初步热测实验的基础上,通过改进实验环境、优化实验参数,进一步开展大量实验,深入研究了热阴极微波电子枪的热测实验结果。实验结果表明:微波电子枪出口处束流强度可超过500 mA,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。该热阴极微波电子枪已经应用于紧凑型自由电子激光装置。     

二次发射微波电子枪的模拟计算及其特性分析

 采用URMEL-T程序进行了二次发射微波电子枪的腔内电磁计算和特性分析。同时利用URMEL-T得出的腔内轴向电场及自编程序,模拟电子在该高频场作用下的运动。计算表明二次发射微波电子枪确实具有相位选择性,进而探讨了腔形尺寸、射频电场强度对相位选择性和产生二次倍增的有关条件的影响,以及输出电子的能量稳定性。模拟结果表明,这类电子枪（MPG）可得到高电流密度（5303A/cm²）及短脉冲（3.15~10ps）的电子束。     

Compact THz radiation source based on photocathode RF gun

Terahertz (THz) science and technology have already become the research highlight at present. In this paper, we put forward a proposal to generate THz radiation at tens of MW peak power. As a result of the ultrafast laser and the high accelerating field of photocathode RF gun, we can generate and accelerate an electron beam to several MeV, of which the bunch length is less than sub-ps. When the short electron bunches are injected into the wiggler, THz radiation based on Coherent Synchrotron Radiation could be achieved with tens of MW peak power. The whole THz FEL facility can be scaled to the size of a tabletop.     

Compact THz radiation source based on photocathode RF gun

Terahertz (THz) science and technology have already become the research highlight at present. In this paper, we put forward a proposal to generate THz radiation at tens of MW peak power. As a result of the ultrafast laser and the high accelerating field of photocathode RF gun, we can generate and accelerate an electron beam to several MeV, of which the bunch length is less than sub-ps. When the short electron bunches are injected into the wiggler, THz radiation based on Coherent Synchrotron Radiation could be achieved with tens of MW peak power. The whole THz FEL facility can be scaled to the size of a tabletop.

     

Design of high-average-power near-millimeter free electron laseroscillators using short period wigglers and sheet electron beams

The design and feasibility of a 1-MW continuous-wave (CW) free electron laser (FEL) oscillator are reviewed. The proposed configuration includes a short-period (I_w~ 1 cm) planar wiggler, a sheet electron beam, a 0.5-1.0-MV thermionic electron gun, a hybrid waveguide/quasi-optical resonator, commercial DC power supplies, and a depressed collector. Cavity ohmic RF losses are estimated to be extremely low (⩽10-100 W/cm²) at 1/MW output power, while thermal heat transfer studies conservatively indicate that wall cooling up to 1500 W/cm² should be possible. Experiments have convincingly verified theory and simulations which predict that negligible body currents will be achievable with low-emittance low-space-charge sheet beams. High-voltage sheet beam gun design studies indicate that the required beam quality can be achieved with CW compatible devices. The spent beam energy distribution is consistent with highly efficient spent beam energy recovery, and the proposed resonator cavity should provide mode discrimination and beam/RF separation capability     

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.