用于高平均功率FEL的DC-SC光阴极注入器

 为获得用于高平均功率自由电子激光（FEL）的高平均流强电子束，设计了一种新型的DC-SC光阴极注入器。该注入器由皮尔斯直流引出结构、1+1/2超导腔和同轴功率耦合系统组成，可以提供高品质、CW模式或高占空比的电子束。对DC-SC光阴极注入器进行了优化设计和束流动力学研究。模拟和优化结果表明DC-SC光阴极注入器完全可以用于高平均功率自由电子激光。模型腔实验验证了理论模拟的可靠性。     

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.     

可变参数磁压缩系统设计

北京大学30MeV超导加速器包含3个RF加速单元: 自主研发的1.5cell DC-SC(直流-超导)注入器, 经过升级的3.5cell DC-SC注入器, 以及1.3GHz 2×9cell Telsa型超导加速腔. 为充分利用该装置上高品质电子束, 计划压缩1.5cell注入器出口电子束用于产生相干THz光, 以及压缩2×9cell超导加速腔出口电子束产生红外自由电子激光. 通过理论计算及模拟计算相结合设计了一套可变参数磁压缩系统, 该系统可以同时满足两个RF加速单元后束团压缩的要求.     

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。     

光阴极注入器型能量回收射频加速器

 光阴极注入器型能量回收射频加速器（PERL）是新一代加速器，在高平均功率自由电子激光和下一代高亮度光源等研究中有很好的应用前景。分析了PERL的强流与高平均功率特性，对注入器输出束流品质的要求及光阴极注入器、超导加速腔等关键技术进行了研究，设计分析了一种特殊结构的高压DC Gun光阴极注入器，能有效地提高DC加速腔中的加速场强，当高压为1MV和加速场达到10MV/m时，产生的电子束流能够基本满足PERL应用要求。同一超导加速段中的束流加速和能量回收的数值模拟计算结果表明，能获得高效率电子束流能量回收效果。     

1+1/2 Cell超导加速腔的本征高阶模场分布研究

为实现高平均流强加速, 需要有效地消除超导加速腔中的高阶模场. 为研制有效的高阶模耦合器, 本文对北京大学DC-SC光阴极超导注入器的核心部件—1+1/2 cell超导加速腔中高阶模场进行了分析研究, 用HFSS程序计算给出前31个高阶模场参数, 与实验测量较为符合. HFSS计算与Superfish计算结果比较符合很好, 验证用HFSS计算可靠, 为以后超导腔的升级研究提供有效的手段.     

北京大学光阴极注入器3+1/2超导腔机械性能

 介绍了北京大学光阴极注入器的核心部件3+1/2超导腔的机械性能的设计，通过ANSYS和SUPERFISH程序优化加强筋的个数和位置，解决了超导腔在脉冲条件下由于洛仑兹力引起的超导腔失谐以及当超导腔进行低温调谐时场平滑度变化过大的问题，同时针对复杂超导腔结构进行了低温调谐结构的设计。     

高亮度1（1／2）超导腔光阴极注入器的腔形设计

对高亮度1 1/2超导腔光阴极注入器进行了腔形的概念研究设计。通过计算比较发现,重入腔的轴电场分布特性,使它很适合做超导光阴极注入器的首腔。我们还通过模拟计算,研究了电子束动力学各种参数的相互依赖关系,最后我们给出1 1/2腔的一组腔及束动力学参数。     

北京大学高平均流强光阴极电子枪驱动激光系统

DC-SC超导光阴极注入器将直流光阴极电子枪和超导加速腔结合在一起,其特点之一是适合于提供高平均流强电子束.文中介绍了直流光阴极电子枪的驱动激光系统的研制.该驱动激光系统的主机为瑞士TBP公司的GE-100-XHP型激光器,是采用可饱和吸收镜技术的被动锁模激光器,其工作晶体为Nd:YVO₄,输出波长为1064nm,脉冲重复频率为81.25MHz,平均功率10W.该驱动激光系统配套的CLX-1100同步控制器可以将激光脉冲与射频参考信号严格锁定,随机抖动不大于1ps.根据使用要求,作者研制了高效的激光倍频器,获得了大于1W的266nm紫外激光.同时,激光到光阴极的传输设计中,采用了傅立叶光学技术,在紫外激光功率650mW左右的条件下,从自行研制的Cs₂Te光阴极上实现了大于500μA的光电流引出     

用于高平均功率自由电子激光器的DC–RF超导腔注入器

北京大学超导加速器实验室提出了新型DC?RF超导腔注入器的设计方案.该注入器由皮尔斯引出结构、1+1/2超导腔组成,可以提供高品质的、CW模式或高占空比(1%以上)的电子束.对该注入器进行了分析计算和设计研究,通过改变超导腔首腔腔形以增加聚焦效果,采取措施缩短阴极到超导腔的距离,从而有效地抑制束流发射度的增长.用PARMELA对该注入器进行束流动力学研究,以确定皮尔斯引出结构的形状以及超导腔的同步相位.计算结果表明这种用于高平均功率自由电子激光的注入器的设计方案是可行的.     

Emittance measurements of a laser-wakefield-accelerated electron beam

The transverse emittance of a relativistic electron beam generated by the interaction of a high-intensity laser with an underdense plasma has been measured with the "pepper-pot" method. For parameters pertaining to the forced laser wakefield regime, we have measured an emittance as low as (2.7+/-0.9) pi mm mrad for (55+/-2) MeV electrons. These measurements are consistent with 3D particle-in-cell simulations of the experiment, which additionally show the existence of a relatively large halo around the beam core.     

Beam emittance investigation in high brightness injector using different driver laser profiles

Beam emittance plays an important role in any accelerator, and it is a main parameter to judge the performance of an accelerator. Emittance optimization is an indispensable part in conditioning and operation of the facility. For a laser-driven high brightness injector, different time structure of the laser pulse has different effects on transverse emittance. In order to compare Gaussian and flat-top laser pulse, systematic simulations of 500 pC have been done. From the simulation results, one can see that flat-top pulse laser will yield smaller minimal transverse beam size and transverse beam emittance than Gaussian pulse laser.     

Laser-photofield emission from needle cathodes for low-emittance electron beams

Illumination of a ZrC needle with short laser pulses (16 ps, 266 nm) while high voltage pulses (-60 kV, 2 ns, 30 Hz) are applied, produces photo-field emitted electron bunches. The electric field is high and varies rapidly over the needle surface so that quantum efficiency (QE) near the apex can be much higher than for a flat photocathode due to the Schottky effect. Up to 150 pC (2.9 A peak current) have been extracted by photo-field emission from a ZrC needle. The effective emitting area has an estimated radius below 50 microm leading to a theoretical intrinsic emittance below 0.05 mm mrad.     

ECR源低能强流高电荷态离子束四维发射度测量仪的研制

为全面研究ECR（Electron Cyclotron Resonance）离子源引出的高电荷态离子束流品质,获取ECR离子源引出离子束流的横向四维相空间分布,提高向加速器的注入效率,中国科学院近代物理研究所研制了一台高精度Pepper Pot型发射度测量仪PEMiL（Pepper pot Emittance Meter in Lanzhou）。根据使用需求,利用KBr晶体喷涂技术取代传统的CsI闪烁体成像技术,解决了束流光斑重叠效应,获得了边界清晰的束流图像;并开发了相应的数据处理分析程序,以分析处理得到的束流横向四维相空间分布。利用PEMiL获得了75 keV,170 eμA的O5+束流横向四维发射度。分析结果表明:PEMiL测量分析后的束流发射度结果可靠性高,荧光屏电荷累积效应造成的发射度差异不超过25%,PEMiL可作为ECR离子源引出离子束流品质诊断的有效装置。     

纳秒强激光电离苯产生高价碳离子的波长效应

随着高强度超短脉冲激光器的发展 ,分子、原子与强激光场的相互作用已经成为一个重要的研究领域 ,其中分子或原子团簇在强场下发生的库仑爆炸现象成为研究的热点之一 .苯具有高对称的环形结构 ,激发态能级密集 ,因此 ,不论是早期的激光对分子的多光子电离解离 (MPID) ,以及强场与多原子分子的相互作用 ,还是后来超短脉冲激光下团簇相关的库仑爆炸研究都将其作为一个重要的研究对象[1- 8] .最近 ,我们用波长为 5 3 2nm、脉宽为 2 5ns的激光对苯等物质进行电离时 ,发现在 1 0 10 ～1 0 11W/cm2 的功率密度下 ,其质谱中出现了高平动能的C2 +…     

Emittance measurement & optimization for the photocathode RF gun with laser profile shaping

The Laser Undulator Compact X-ray source(LUCX) is a test bench for a compact high brightness X-ray generator,based on inverse Compton Scattering at KEK,which requires high intensity multi-bunch trains with low transverse emittance.A photocathode RF gun with emittance compensation solenoid is used as an electron source.Much endeavor has been made to increase the beam intensity in the multi-bunch trains.The cavity of the RF gun is tuned into an unbalanced field in order to reduce space charge effects,so that the field gradient on the cathode surface is relatively higher when the forward RF power into gun cavity is not high enough.A laser profile shaper is employed to convert the driving laser profile from Gaussian into uniform.In this research we seek to find the optimized operational conditions for the decrease of the transverse emittance.With the uniform driving laser and the unbalanced RF gun,the RMS transverse emittance of a 1 nC bunch has been improved effectively from 5.46 πmm.mrad to 3.66 πmm.mrad.     

Instantaneous electron beam emittance measurement system based on the optical transition radiation principle

One kind of instantaneous electron beam emittance measurement system based on the optical transition radiation principle and double imaging optical method has been set up. It is mainly adopted in the test for the intense electron-beam produced by a linear induction accelerator. The system features two characteristics. The first one concerns the system synchronization signal triggered by the following edge of the main output waveform from a Blumlein switch. The synchronous precision of about 1 ns between the electron beam and the image capture time can be reached in this way so that the electron beam emittance at the desired time point can be obtained. The other advantage of the system is the ability to obtain the beam spot and beam divergence in one measurement so that the calculated result is the true beam emittance at that time, which can explain the electron beam condition. It provides to be a powerful beam diagnostic method for a 2.5 kA, 18.5 MeV, 90 ns (FWHM) electron beam pulse produced by Dragon I. The ability of the instantaneous measurement is about 3 ns and it can measure the beam emittance at any time point during one beam pulse. A series of beam emittances have been obtained for Dragon I. The typical beam spot is 9.0 mm (FWHM) in diameter and the corresponding beam divergence is about 10.5 mrad.     

微结构气体探测器中紫外激光束的信号和指向精度实验研究

在气体探测器研究中,利用266 nm紫外激光的双光子电离物理机制使气体电离产生可测量的信号,是一种重要的标定方法.随着微结构气体探测器(MPGD)的不断发展,用紫外激光标定来实现较高精度位置分辨率成为了一种研究需求,对此有两个关键技术问题需要解决:实验研究激光可测信号大小以及激光指向精度.分析和模拟计算了紫外光电离信号大小和激光调光误差,基于微结构气体电子倍增器探测器与266 nm波长激光束,在工作气体Ar/CO_2(70/30)中,测量了不同光斑面积与输出信号的关系;设计和研制了紫外激光调光系统,实验测量了紫外光调光偏差.模拟结果与实验结果对比分析表明:紫外激光束作用于气体探测器,探测器增益在5000,前放增益为10 mV/fC时, 6 mm读出条宽输出信号幅度约400 mV;在探测器内传播距离为400 mm时,较短时间内(10—20 min)实验调光指向精度可以保证小于5′,引入z向偏差最大可以达到0.33 mm,对应z向漂移速度的测量相对误差为6.4×10-4.该研究为MPGD与紫外激光标定实验设计提供主要的设计参考.     

用于DC–SC超导光电子枪中的光阴极的研制

DC-SC超导光阴极微波电子枪是一种新型的高平均流强电子源,本文介绍了其中的关键部件—光阴极的研制.在自行研制的光阴极制备室里成功制备了两种光阴极:Cs₂Te和Cs₃Sb光阴极.Cs₂Te光阴极的寿命长,用266nm紫外光激发,量子效率QE>25%,真空中(1×10^－5Pa)寿命50h.Cs₃Sb光阴极是多层膜结构,用532nm激光激发,量子效率2%,真空中(10^－5Pa)寿命只有几个小时.两者都可以满足电子枪的设计要求,但是由于Cs₂Te光阴极更稳定,在目前的DC-SC超导光电子枪调试实验中采用这种光阴极