一种微波栅控直流电子枪初步物理设计
发布时间：2021-03-26 07:38
红外波段自由电子激光的小信号增益大小以及饱和功率对束流的能散非常敏感。为满足远红外自由电子激光对能散的要求,在合肥光源栅控直流高压电子枪的基础上,模拟了一种热阴极微波栅控直流高压电子枪。微波栅控直流高压电子枪采用微波栅控的方法,控制和压缩阴极引出电子束团的长度。再通过直流高压对电子加速后,在电子枪的出口可以得到量级为几十皮秒的束团。本文使用SUPERFISH、POISSON分别进行栅控微波场与高压电场优化计算,PARMELA（Phase And Radial Motion in Electron Linear Accelerators）进行束流跟踪与分析,得到一组能满足红外自由电子激光需求的电子枪参数。
【文章来源】：核技术. 2015,38(06)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
微波场与栅网偏压Fig.1MicrowavefieldandDCbias.
损坏栅网；(2)束团出栅网的平均能量不能过大，过大的束流初始能量会影响聚焦栅极的聚束效果；(3)电子枪设计时还需考虑空间电荷效应的影响，当束流流强太大时，空间电荷效应影响太强，会造成束流欠聚焦，当束流流强过小时，空间电荷效应较弱，会造成束流过聚焦，两种情况下束斑的尺寸都会受到严重的影响；(4)根据束腰的位置以及束腰处束斑的大小来确定聚焦是否合适。合适的条件下，束腰在电子枪出口下游4mm处，束斑尺寸变化不大。表1为HLS二期工程中栅控直流枪出口的束流参数与栅控微波直流高压枪出口的束流参数。图2为POISSON静电场结构建模，阳极电压为0V，阴极电压为100kV，栅网上的电压是相对于阴极的负偏压。对栅网建模时，假定栅网为一系列具有一定厚度和宽度的同心圆环，且相邻同心圆之间的距离相同。图2静电场结构及场形Fig.2Structureandfieldmapofstaticfield.
谢应猛等：一种微波栅控直流电子枪初步物理设计060104-3SUPERFISH阴栅腔建模其栅网部分见图3。为防止栅网端面的场强太大，栅网端面做成圆弧面，腔中的峰值场强在栅网圆弧端面上，且为轴上微波场峰值的2.2倍左右。双频腔的微波参数见表2。表2双频腔微波参数Table2Dual-frequencycavitymicrowaveparameters.参数Parameters基波Fundamental谐波3rdHarmonic频率Frequency/MHz951.992855.96品质因子Qualityfactor1312.241467.12Rs*Q/10.56420.455分路阻抗Shuntimpedance/M·m114.5056.571双频腔建模时，因为栅网孔比较小(图3)，功率在栅网孔后会慢慢截止(图4)，因此RF场建模时栅网部分直接封闭。图4是PARMELA(PhaseAndRadialMotioninElectronLinearAccelerators)为束流中心轴上基波场分布、三次谐波场分布以及基波与谐波叠加场分布，可见栅网中的微波场衰减很快。图3双频腔栅网部分结构Fig.3Partofdual-frequencycavity.图4基波与三次谐波场分布Fig.4Fundamentalfieldandharmonicfieldalongzaxis.3PARMELA束流跟踪三类电子枪PARMELA束流跟踪的初始条件如下：初始能量为1eV，初始微脉冲束团长度为1ns，初始电荷量为2nC，初始设置粒子数50000个。3.1栅控高压直流枪束流跟踪栅控直流高压电子枪得到的束流是连续的，束流纵向分布在952MHz的整个周期内，电子枪出口的束流纵向分布与束斑横向尺寸如图5所示。在聚束时，为实现纵向聚束而对电子进行速度调制会引入很大能散。如合肥光源800MeV直线加速器测量的相对能散为1%（绝对能散800keV），软件模拟得到聚束过程中能散增长的最小值约为300keV，此能散对于合肥800MeV直线加速器是可以接受的，但同样的能散对低能的加速器造成的影响则是不可忽略的。图5直流枪阳极下
【参考文献】：
期刊论文
[1]上海光源150MeV电子直线加速器的设计与调试[J]. 赵明华,林国强,钟少鹏,汪宝亮,张骏强,刘卫红,周伟民,陈永忠. 中国物理C. 2008(S1)
本文编号：3101238
【文章来源】：核技术. 2015,38(06)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
微波场与栅网偏压Fig.1MicrowavefieldandDCbias.
损坏栅网；(2)束团出栅网的平均能量不能过大，过大的束流初始能量会影响聚焦栅极的聚束效果；(3)电子枪设计时还需考虑空间电荷效应的影响，当束流流强太大时，空间电荷效应影响太强，会造成束流欠聚焦，当束流流强过小时，空间电荷效应较弱，会造成束流过聚焦，两种情况下束斑的尺寸都会受到严重的影响；(4)根据束腰的位置以及束腰处束斑的大小来确定聚焦是否合适。合适的条件下，束腰在电子枪出口下游4mm处，束斑尺寸变化不大。表1为HLS二期工程中栅控直流枪出口的束流参数与栅控微波直流高压枪出口的束流参数。图2为POISSON静电场结构建模，阳极电压为0V，阴极电压为100kV，栅网上的电压是相对于阴极的负偏压。对栅网建模时，假定栅网为一系列具有一定厚度和宽度的同心圆环，且相邻同心圆之间的距离相同。图2静电场结构及场形Fig.2Structureandfieldmapofstaticfield.
谢应猛等：一种微波栅控直流电子枪初步物理设计060104-3SUPERFISH阴栅腔建模其栅网部分见图3。为防止栅网端面的场强太大，栅网端面做成圆弧面，腔中的峰值场强在栅网圆弧端面上，且为轴上微波场峰值的2.2倍左右。双频腔的微波参数见表2。表2双频腔微波参数Table2Dual-frequencycavitymicrowaveparameters.参数Parameters基波Fundamental谐波3rdHarmonic频率Frequency/MHz951.992855.96品质因子Qualityfactor1312.241467.12Rs*Q/10.56420.455分路阻抗Shuntimpedance/M·m114.5056.571双频腔建模时，因为栅网孔比较小(图3)，功率在栅网孔后会慢慢截止(图4)，因此RF场建模时栅网部分直接封闭。图4是PARMELA(PhaseAndRadialMotioninElectronLinearAccelerators)为束流中心轴上基波场分布、三次谐波场分布以及基波与谐波叠加场分布，可见栅网中的微波场衰减很快。图3双频腔栅网部分结构Fig.3Partofdual-frequencycavity.图4基波与三次谐波场分布Fig.4Fundamentalfieldandharmonicfieldalongzaxis.3PARMELA束流跟踪三类电子枪PARMELA束流跟踪的初始条件如下：初始能量为1eV，初始微脉冲束团长度为1ns，初始电荷量为2nC，初始设置粒子数50000个。3.1栅控高压直流枪束流跟踪栅控直流高压电子枪得到的束流是连续的，束流纵向分布在952MHz的整个周期内，电子枪出口的束流纵向分布与束斑横向尺寸如图5所示。在聚束时，为实现纵向聚束而对电子进行速度调制会引入很大能散。如合肥光源800MeV直线加速器测量的相对能散为1%（绝对能散800keV），软件模拟得到聚束过程中能散增长的最小值约为300keV，此能散对于合肥800MeV直线加速器是可以接受的，但同样的能散对低能的加速器造成的影响则是不可忽略的。图5直流枪阳极下
【参考文献】：
期刊论文
[1]上海光源150MeV电子直线加速器的设计与调试[J]. 赵明华,林国强,钟少鹏,汪宝亮,张骏强,刘卫红,周伟民,陈永忠. 中国物理C. 2008(S1)
本文编号：3101238
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