直流光阴极注入器电子束壁损失初步研究

真空度被认为是影响GaAs阴极寿命的最重要参数之一,电子束在阴极附近的壁损失会导致真空度下降。基于高斯分布模型,研究了中国工程物理研究院自由电子激光相干强太赫兹源(FEL-THz)直流光阴极注入器电子束在束线管壁上的损失情况。通过理论分析、数值计算、束流动力学模拟、热力学分析及电子束初步出束实验研究,证明了FEL-THz电子束壁损失能达到W量级,必然引起真空度下降和阴极寿命缩短,这是目前限制出束的重要原因之一。研究表明,为维持电子束持续稳定工作,应将注入器阳极后的管道尺寸扩大到至少45mm。     

光阴极直流高压电子枪束流偏轴发射研究

离子反轰会造成直流高压电子枪内光阴极的量子效率衰减,降低阴极的工作寿命和稳定性,是限制光阴极直流高压电子枪性能的重要因素之一。基于中国工程物理研究院太赫兹自由电子激光(THzFEL)的直流高压电子枪,通过束流动力学模拟和阴极量子效率测量,研究了束流偏轴发射对离子反轰的抑制作用及其应用限制。模拟结果表明:束流偏轴发射时,离子主要轰击阴极的电中心附近,光电发射区域的离子通量较轴上发射时降低约95%;但束流发射度增大约4πmm·mrad,横向运动幅度增加约1倍。通过电子枪运行前后阴极量子效率测量,发现束流偏轴发射时离子反轰引起电中心附近量子效率大面积的衰减,而光电发射区域量子效率损失较小,验证了束流偏轴发射抑制离子反轰的可行性。     

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。     

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。     

中国工程物理研究院FEL-THz束线从头至尾模拟设计(英文)

中国工程物理研究院正在开展自由电子激光太赫兹源(FEL-THz)的研究。介绍了中物院FEL-THz束线的设计,通过PARMELA和TRANSPORT等程序优化了束线参数,并通过IMPACT-T和ELEGANT程序核对了模拟结果。优化结果表明,电子束在摇摆器入口处能量7～8MeV、平均电流5mA、横向归一化发射度小于10mm·mrad,满足设计要求。     

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.     

光阴极RF腔注入器

 光阴极RF腔注入器是一种强流、窄脉冲(ps量级)、低发射度的电子束源。文章给出了CAEP光阴极RF腔注入器的结构和实验结果,结构主要包括驱动激光器、Cs₂Te阴极制备室、2.5个RF腔、高功率微波源和测量仪器等,其中驱动激光器的参数是影响注入器电子束质量的重要因素;实验上,该光阴极RF腔注入器可稳定输出能量2MeV、流强70A、发射度～4mm.mrad的高亮度电子束流。     

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。     

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。     

An emittance measurement device for a space-charge dominated electron beam

Beam emittance is one of the most important parameters for electron sources. To investigate the beam emittance of the 3.5-cell DC-SC photocathode injector developed at Peking University, a multi-slit emittance measurement device has been designed and manufactured. The designed slit width, mask thickness and beamlet drift length are 100 μ m, 3 mm and 430 mm respectively. It is suitable for the electron beam with energy of about 5 MeV and the average current less than 0.1 mA. The preliminary measurement result of the rms emittance of the electron beam produced by the DC-SC injector is about 5-7 mm·mrad.     

三种高密度强流束亮度测量技术

利用已经建成的4 MeV LIA注入器,结合时间分辨测量系统研究了三种测量技术:发射度测量法、无场准直器和磁场准直器测量法。介绍了强流束亮度定义和典型方法理论分析及测量技术的物理概念,提出了用于猝发多脉冲电子束发射度测量装置的设计与调试,通过对时间分辨测量系统的分幅相机记录的光强度分布信息处理,得到电子束束斑均方根半径和发射角,分析某一时刻数据,即可得到电子束某一时刻发射度,从而获得多脉冲电子束时间分辨发射度。在4 MeV LIA注入器上对多脉冲电子束流的发射度进行测量,得到电子束归一化均方根发射度约为114 mmmrad、双脉冲456 mmmrad的归一化发射度。最后结合电子束的高斯分布初步分析并给出均方根发射度、实测发射度和边发射度的关系。     

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 photocathode DC 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 πmm·mrad, a bunch length of 0.67 mm, a beam energy of 5 MeV and an energy spread of 0.72%.     

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.     

Design study of a L-band DC photocathode gun

In this paper, we the design study of a L-band DC photocathode gun injector for the ERL (Energy Recovery Linac) test facility. The main parameters of the injector are energy of 2.3 MeV, a bunch length of 2 ps, and a normalized emittance of 2.1 mm.mrad.     

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%.     

GaAs光阴极量子效率分布测量

基于负电子亲和势GaAs光阴极直流高压注入器,设计并搭建了国内首套光阴极量子效率分布测量系统。该系统利用单透镜实现逐点扫描,并采用LabVIEW进行控制和数据读写。实验表明,该系统单点采样时间小于2.3s,分辨率优于0.32mm。初步测量了GaAs阴极的量子效率分布,观察到量子效率分布及其衰减的不均匀性,量子效率较高区域的衰减速率更低。     

Heat load of a GaAs photocathode in an SRF electron gun

A great deal of effort has been made over the last decades to develop a better polarized electron source for high energy physics. Several laboratories operate DC guns with a gallium arsenide photocathode, which yield a highly polarized electron beam. However, the beam's emittance might well be improved by using a superconducting radio frequency (SRF) electron gun, which delivers beams of a higher brightness than that from DC guns because the field gradient at the cathode is higher. SRF guns with metal and CsTe cathodes have been tested successfully. To produce polarized electrons, a Gallium-Arsenide photo-cathode must be used: an experiment to do so in a superconducting RF gun is under way at BNL. Since a bulk gallium arsenide (GaAs) photocathode is normal conducting, a problem arises from the heat load stemming from the cathode. We present our measurements of the electrical resistance of GaAs at cryogenic temperatures, a prediction of the heat load and verification by measuring the quality factor of the gun with and without the cathode at 2 K. We simulate heat generation and flow from the GaAs cathode using the ANSYS program. By following the findings with the heat load model, we designed and fabricated a new cathode holder (plug) to decrease the heat load from GaAs.