用于超短电子束束团长度测量的C波段偏转腔的研制

发布时间：2020-07-11 19:05

【摘要】：偏转腔是通过高频电磁场使粒子运动方向发生偏转的结构,电子在沿偏转腔轴向运动时,受到横向的洛伦兹力作用,其运动方向发生变化。在电子束流方向上,由于所处的磁场不同,使得处于束流不同位置的电子发生的偏转大小有所不同。基于这个原理,偏转腔可以用于束流诊断等工作。本文设计研制的C波段偏转腔用于上海交通大学和清华大学、北京大学合作开展的“原子尺度超高时空分辨兆伏特电子衍射与成像系统”项目中电子束的诊断,实现20fs的电子束束长的测量,要求在1MW的功率输入条件下达到1MV的偏转电压。偏转腔中的工作模式为TM110模,TM110为偶极模,存在简并模式。对于多腔结构,设计中需要保证腔与腔之间微波耦合过程中极化方向不发生旋转。论文对盘片开孔以及腔壁上开槽两种方法进行了讨论,并采用了在偏转腔腔壁上开圆槽的方法保证电磁场极化方向。论文通过解析求解以及CST等电磁模拟软件,设计了3-Cell的C波段驻波偏转腔。通过电磁场的模拟以及粒子动力学的分析最终确定了偏转腔的尺寸参数,并给出了品质因数、偏转电压相应的物理参数。同时对偏转腔的耦合器进行了设计,并通过热力学模拟对偏转腔的水冷系统进行了设计。偏转腔加工完成之后,在微波测试过程中需要同时保证偏转腔的工作频率以及电磁场场平满足要求,为了简化调谐和调场的过程,通过数值模拟对调节各个腔时场平变化与工作频率变化进行了研究,发现两者之间为很好的线性,以此为基础将可大大简化调谐的过程,并利于保证调谐的精度。除此之外,提出了使用双线bead-pull方法测量电磁场分布,避免了由于微扰体小珠旋转造成磁场极化方向变化而导致的磁场测量不准确性。偏转腔调谐之后,偏转腔的各项参数与物理设计要求相符,预计在下一步的高功率测试中能够正常地工作。
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TL503
【图文】：

磁场分布,横向磁,模式,分磁场

TM110模受力，考虑式(2-5)变换图2.1偏模式只有纵虑偏轴情况( )112mJ x∞=== 12zrEHH = = = 换到直角坐标8偏转腔横向磁纵向的电场和（ 1ck r ）( )( )031! 1116mm mx x + +cos(si2co2c mmcmck rEjEkjEkωεωε标系中有：磁场分布和横向的磁下的电磁2 1! 2mx+ )( )( )nos 磁场，为了分磁场。对贝塞分析粒子通塞尔函数作（2-4）（2-5）通过偏作展开

束团长度,偏转电压,束流

RF2 /BLcE eλ≥其中y _ deflβ和y_flagβ为偏转腔和接收屏处的垂直β 函数Δ Φ 为偏转腔和接收屏之间的相位变化ω 为偏转电压角频率defV 为偏转电压E 为束流能量，单位为 eV假设我们认为偏转腔和接收屏之间的距离L 只是一个简单的漂移段，那么公式（2-18）可以简化为：=2 /B defBLL VycE eω（2-19）在给定偏转腔输入功率的条件下，偏转电压为确定值。公式（2-18）、（2-19）显示了束流在屏处的垂直尺寸与束流的初始纵向长度成正比，因此只要通过测量偏转腔之后的束流垂直尺寸，就能得到束流的长度信息。

示意图,带极,固定孔,盘片

率 5.712GH率 1MW 条件下，偏转电压>1MV作在 37℃温度条件下 2.5MeV 电子束束长诊断标出发，下面将对偏转腔的设计进行详细的介绍。偏转主要借助 CST 等三维电磁场仿真软件进行。体设计式分析腔的结构是圆周对称的，而偶极模 TM110模式并不是为任意方向，即存在极化方向相垂直的两个 TM110简都可以视作这两个垂直模式的叠加。由于简并模式耦合过程中极化方向可能发生旋转，因此在设计过输进行抑制。

【参考文献】