低發(fā)射度L波段光陰極微波電子槍物理設(shè)計

李成龍　湯振興　裴元吉

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 國家同步輻射實驗室　合肥 230022）

低發(fā)射度L波段光陰極微波電子槍物理設(shè)計

李成龍湯振興裴元吉

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 國家同步輻射實驗室合肥 230022）

太赫茲（THz）光源對電子束的能量、能散及發(fā)射度有極高要求，研發(fā)高性能電子源是基于自由電子激光（Free Electron Laser, FEL）的THz光源的重要挑戰(zhàn)。對電子腔中束團發(fā)射度增長機制的研究，有助于設(shè)計針對有效的發(fā)射度補償方案。本文首先描述了L波段光陰極微波電子槍腔的設(shè)計，利用POISSON Superfish軟件給出了腔內(nèi)電磁場分布，詳細分析了束流發(fā)射度增長的因素，討論發(fā)射度補償原理。由此提出基于主副螺線管線圈抑制發(fā)射度增長的補償方案，并用ASTRA程序?qū)ρa償效果進行模擬計算。結(jié)果表明，采用該補償方案后，電子腔輸出束團的能散和發(fā)射度有顯著改善，達到THz光源對于電子源的要求。

高性能電子束源，光陰極微波電子槍，發(fā)射度，補償線圈，空間電荷力，能散

近年來，由于化學(xué)、物理、生物等學(xué)科的前沿研究以及各國政府和科學(xué)界的大力支持，第四代光源開始蓬勃發(fā)展起來。基于自由電子激光（Free Electron Laser, FEL）第四代高亮度光源對束流品質(zhì)的要求極為苛刻，根據(jù)FEL工作原理可知，光源品質(zhì)本質(zhì)上依賴于電子槍產(chǎn)生束流的性能，因此成功研制高性能電子槍是產(chǎn)生高亮度光源的關(guān)鍵。光陰極電子槍能夠產(chǎn)生高電荷量（約1 nC）、低發(fā)射度（＜1πmm·mrad）、短束團（ps量級）的束流。國際上，美國LCLS （Linac Coherent Light Source）［1］、歐洲XFEL （X-Ray Free-Electron Laser）［2］、英國4 GLS（4th Generation Light Source）［3］、美國LUX（Linac-based Ultrafast X-ray facility）［4］、韓國PAL-XFEL （Pohang Accelerator Laboratory X-Ray Free-Electron Laser）［5］和德國BESSY （Berlin Electron Storage Ring Society for Synchrotron Radiation）［6］等四代光源均采用光陰極微波電子槍作為電子束源。由于光陰極電子槍能夠產(chǎn)生高品質(zhì)束流，除上述第四代光源外，還在其他裝置上得到應(yīng)用，如脈沖輻射化學(xué)裝置、湯姆遜散射超快X射線源、尾場加速、太赫茲源、超短脈沖電子衍射和超短脈沖電子顯微鏡等［7-11］。國內(nèi)對高品質(zhì)電子束的需求越來越多，如清華大學(xué)與中國工程物理研究院籌建湯姆遜散射光源［12］、中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所籌建深紫外自由電子激光和X射線自由電子激光［13］、中國科學(xué)院高能物理研究所與清華大學(xué)籌備北京X射線自由電子激光實驗裝置（Beijing XFEL Test Facility, BTF）、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所與中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所共建大連極紫外相干光源均需要產(chǎn)生高品質(zhì)的電子束，對電子束品質(zhì)的要求接近國外第四代光源，上述項目均采用常溫S波段光陰極微波電子槍。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)同華中科技大學(xué)合作基于FEL的THz源的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)研究，擬采用L波段光陰極微波電子槍作為電子束源。

本文對FEL-THz源關(guān)鍵部件光陰極微波電子槍的研制做預(yù)研工作，主要包含以下三部分內(nèi)容：1） L波段光陰極微波電子槍的物理設(shè)計；2） 發(fā)射度補償?shù)膬?yōu)化；3） 初始束流參數(shù)的優(yōu)化。

1　光陰極微波電子槍物理設(shè)計

1.1光陰極微波電子槍

光陰極微波電子槍是一種能夠產(chǎn)生高品質(zhì)束流的電子束源，其工作原理是將一束激光照射到微波腔前壁中心的光陰極材料上產(chǎn)生電子，然后高梯度峰值微波電場將電子束在較短距離內(nèi)加速至相對論性能量，從而產(chǎn)生高亮度、低發(fā)射度、短脈沖的高品質(zhì)束流。該類型電子槍主要是由光陰極、微波腔、功率源、激光系統(tǒng)和同步系統(tǒng)等組成。其產(chǎn)生高品質(zhì)電子束主要是通過控制驅(qū)動激光脈沖寬度、激光束束半徑以及與微波功率、相位等，此外需選擇高梯度微波電場以克服低能電子束的空間電荷效應(yīng)。

本文光陰極微波電子槍主要由光陰極、微波腔、補償線圈等組成，如圖1所示。光陰極采用金屬陰極Cu，其具有制造維護簡單、穩(wěn)定性好、壽命長、工作場強較高、抗污染能力強等優(yōu)點。光陰極置于首腔的腔壁上，激光沿軸線以接近垂直照射的表面。由圖1可知，微波腔是L波段1.3 GHz頻率旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)的1.6個腔，工作模式為π模式。微波腔的功率耦合與其他微波腔不同，是采用同軸耦合，它有兩方面的好處：1） 避免破壞電磁場的對稱性，防止偶極場影響束流品質(zhì)；2） 增大補償線圈安裝空間，使得發(fā)射度補償線圈放置在最優(yōu)位置。副線圈用于保證在光陰極表面處磁場為零，抑制陰極表面磁場造成發(fā)射度的增長，主線圈主要用于線性空間電荷效應(yīng)引起發(fā)射度增長的補償，下面將詳細分析。

圖1　光陰極微波電子槍組成Fig.1　Layout of photocathode microwave electron gun.

1.2微波腔體設(shè)計

在高亮度常溫光陰極電子槍的腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計中，首腔腔體結(jié)構(gòu)的設(shè)計至關(guān)重要，其結(jié)構(gòu)設(shè)計的物理要求：1） 光陰極處的峰值電場場強應(yīng)盡可能高，當(dāng)電子離開陰極表面后，能在短距離內(nèi)加速至相對論能量，以減少空間電荷效應(yīng)引起束流發(fā)射度的增長；2） 腔體中徑向電場Er與r的線性區(qū)域足夠大，減少RF場對束流發(fā)射度的影響；3） 根據(jù)分路阻抗定義可知，分路阻抗越大，微波功率在腔壁的歐姆損耗越小，微波功率轉(zhuǎn)化為束流功率的效率越高；4） 用于兩個腔間耦合的闌片孔，在權(quán)衡分路阻抗、功率大小等選擇后要盡可能的大，一方面提高場的穩(wěn)定性，一方面抑制尾場效應(yīng)對束流品質(zhì)的影響；5） 增大整腔的出口孔半徑，降低徑向電場強度，減小出口處場對束流的散焦作用。上述物理要求之間相互矛盾、相互制約，在腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計中不能完全滿足。因此，一般只能考慮各種因素的折中。

利用Superfish程序?qū)η惑w的各尺寸仔細調(diào)節(jié)，進行優(yōu)化設(shè)計。腔體結(jié)構(gòu)中，各部分尺寸對于微波特性參數(shù)的影響不同。通過調(diào)整各部分尺寸，腔體優(yōu)化尺寸結(jié)構(gòu)，如圖2所示。圖2中陰影部分是腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖2　腔體優(yōu)化尺寸結(jié)構(gòu)Fig.2　Optimal geometry structure of cavity.

經(jīng)過設(shè)計優(yōu)化，0模式和π模式的頻率差約4.93MHz，0模式干擾較小，微波腔體參數(shù)見表1［14］。

表1　兩種模式下的相關(guān)微波參數(shù)Table 1　Microwave parameters of two modes.

仿真計算腔體內(nèi)電場分布和沿中心軸線電場分布曲線，如圖3、4所示。

圖3　腔體內(nèi)電場分布Fig.3　Electric distribution of cavity.

圖4　沿中心軸線電場分布曲線Fig.4　Electric distribution of cavity along axis.

2　束流發(fā)射度補償

在光陰極微波電子槍的設(shè)計中，束流橫向發(fā)射度對束流的亮度非常重要，降低橫向發(fā)射度是提高束流品質(zhì)的一種直接有效的方法。為此我們分析了影響橫向發(fā)射度的各種因素，同時采取相應(yīng)的措施降低或避免各因素對橫向發(fā)射度的影響。

2.1影響束流發(fā)射度的因素

影響發(fā)射度增長的原因非常復(fù)雜，主要有下述6種因素影響束流歸一化均方根發(fā)射度εn,rms［15］：式中：εSC是空間電荷發(fā)射度；εRF是RF場發(fā)射度；εmp是非對稱多級場發(fā)射度；zBε是光陰極表面磁場發(fā)射度；ε0是熱發(fā)射度；εT是光陰極物理溫度發(fā)射度。

1） 空間電荷發(fā)射度εSC

Kim進行了詳細的理論分析［16］，Carlsten［17］提出聚焦線圈補償空間電荷效應(yīng)發(fā)射度的方法，下文將詳細討論。

2） RF場發(fā)射度εRF

微波腔內(nèi)部建立類TM010模式微波場，存在Er和Hθ分量，在出口產(chǎn)生徑向散焦力Fr：

即在半腔的出口散焦力由整腔入口處的聚焦力抵消，在整腔的出口散焦力對束流橫向發(fā)射度產(chǎn)生影響。本文通過增大在整腔出口的半徑，減小分量幅值，減小散焦力大小，減小對發(fā)射度的影響。

3） 非對稱多極場發(fā)射度εmp

在邊耦合結(jié)構(gòu)中，最大加速電場Ez不是在沿中心軸線，而是偏向RF耦合孔一側(cè)。為了避免非對稱腔體產(chǎn)生的多極場，本文設(shè)計方案采用同軸耦合方式，有利于補償線圈的位置優(yōu)化。

4） 光陰極表面磁場發(fā)射度zBε

為了補償空間電荷效應(yīng)引起的發(fā)射度增長，在光陰極槍下游采用發(fā)射度補償線圈抑制發(fā)射度增長。通常，該補償線圈邊緣磁場延伸分布在光陰極表面，造成束流橫向發(fā)射度的增長。為抵消其邊緣磁場，抑制發(fā)射度增長，在電子槍光陰極上游放置線圈抵消補償線圈在光陰極表面形成的邊緣磁場。

5） 熱發(fā)射度ε0

加速電場會降低光陰極材料逸出功，即Schottky效應(yīng)。該效應(yīng)使得發(fā)射電子初始動能增大，引起束流發(fā)射度的增長。本文優(yōu)化設(shè)計方案，改進光陰極加工工藝，盡可能降低光陰極表面粗糙度，降低熱發(fā)射度［18-19］。

6） 光陰極工作溫度發(fā)射度εT

陰極工作溫度同樣會引起發(fā)射度的增長：

式中：R0為照射在陰極激光束斑半徑；T為陰極工作溫度；kB為玻爾茲曼常數(shù)；m0為電子靜止質(zhì)量；c為光速。

2.2空間電荷發(fā)射度補償

空間電荷效應(yīng)是強束流在低能過程中橫向發(fā)射度增長的重要因素。Kim理論［15］認為空間電荷力可分為線性和非線性兩部分，其中線性空間電荷力與縱向位置相關(guān)，導(dǎo)致投影發(fā)射度的增長，可以通過補償線圈抑制；非線性空間電荷力是由于束團中電荷密度分布不均勻引起的，導(dǎo)致切片發(fā)射度的增長，目前很難加以彌補。本文主要討論線性空間電荷效應(yīng)發(fā)射度補償。

由于束團中心和尾部受到的空間電荷力不同，束團在相空間中展開，在合適的位置放置補償線圈，可以起到聚焦透鏡的作用，經(jīng)過一段漂移距離，電子束相圖就會收縮，發(fā)射度得到補償。

本文設(shè)計補償線圈為螺線管結(jié)構(gòu)，采用主線圈和副線圈共同作用方式。主線圈設(shè)計要求滿足軸線上的磁感應(yīng)強度要足夠大，能夠抑制發(fā)射度增長。副線圈的作用是抵消主線圈在陰極表面附近的磁場，使得電子束不因軸向磁場的存在而引入發(fā)射度增長。補償線圈的作用與補償線圈的位置、磁場大小等因素密切相關(guān)，通過優(yōu)化計算磁場分布尤其是縱向磁場分布，得到所需場型分布，如圖5、6所示?？梢婈帢O磁感應(yīng)強度為零，不會在陰極表面引入額外發(fā)射度。

通過優(yōu)化，采用此種主副線圈設(shè)計方式獲得上述磁場分布，在圖6中有合磁場最大值Bmax，優(yōu)化Bmax值，得到不同Bmax下，電子束團橫向發(fā)射度隨著縱軸的變化，如圖7（初始電荷量為200 pC和1nC）所示。由圖7可以看出，在縱向位置3 m處，發(fā)射度隨Bmax而變化。

圖5　線圈布局Fig.5　Layout of solenoid.

圖6　補償線圈磁場沿軸線分布曲線Fig.6　Magnetic field distribution of compensation solenoid along axis.

圖7　不同Bmax下發(fā)射度沿束流運動方向的變化?。╝） Q = 200 pC，（b） Q = 1 nCFig.7　Emittance vary with Bmaxalong beam direction. （a） Q = 200 pC, （b） Q = 1 nC

圖8顯示了在初始電荷量分別為200pC和1 nC時，Z=3 m處發(fā)射度隨Bmax的變化規(guī)律。由圖8可以看出，隨Bmax增大，Z=3 m處的發(fā)射度先減小后增大。在Q=200 pC及Q=1 nC時，最小發(fā)射度分別為0.3732 mm·mrad和0.9339 mm·mrad，對應(yīng)的Bmax為0.214 T和0.216T。做出對應(yīng)相空間分布，如圖9（束團半徑0.3 mm，Q=200 pC）、圖10（束團半徑0.4 mm，Q=1 nC）所示。

圖8　不同Bmax下Z=3 m處發(fā)射度Fig.8　Emittance of Z=3 m for different Bmax.

圖9　Q=200 pC最小發(fā)射度位置處相空間（a） 最小發(fā)射度處的橫向相空間，（b） 束團縱向分布，（c） 束團側(cè)視圖，（d） 發(fā)射度沿縱向的變化Fig.9　Phase space of minimum emittance （Q=200 pC）. （a） Transverse phase space at the position with minimum emittance,（b） Longitudinal distribution of the bunch, （c） Side view of the bunch, （d） Emittance along the z-axis

圖10　Q=1 nC最小射度位置處相空間（a） 最小發(fā)射度處的橫向相空間，（b） 束團縱向分布，（c） 束團側(cè)視圖，（d） 發(fā)射度沿縱向的變化Fig.10　Phase space of minimum emittance （Q=1 nC）. （a） Transverse phase space at the position with minimum emittance,（b） Longitudinal distribution of the bunch, （c） Side view of the bunch, （d） Emittance along the z-axis

3　結(jié)語

本文通過對光陰極微波電子槍的優(yōu)化設(shè)計和發(fā)射度補償技術(shù)的應(yīng)用，給出初始電荷量分別為200pC和1 nC情況下，電子能量為5.67 MeV，能散為2.3‰和7.6‰，橫向歸一化發(fā)射度εn,rms分別等于0.373 mm·mrad和0.934 mm·mrad，電子槍輸出束團的能量和發(fā)射度都得到較好的結(jié)果，達到了THz光源對于電子束團的要求。

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思想道德修養(yǎng)與法律基礎(chǔ)課一共有八章，可根據(jù)各章節(jié)之間的邏輯關(guān)系將這八章的內(nèi)容整合為五個教學(xué)模塊。緒論部分單獨構(gòu)成大學(xué)生的新生適應(yīng)這一教學(xué)模塊，第一章、第二章共同構(gòu)成大學(xué)生的理想教學(xué)模塊，第三章單獨構(gòu)成大學(xué)生的人生觀教學(xué)模塊，第四章單獨構(gòu)成大學(xué)生的道德修養(yǎng)教學(xué)模塊，第五章、第六章、第七章共同構(gòu)成大學(xué)生的法律素養(yǎng)教學(xué)模塊。將理論教學(xué)整合為這五大模塊后，實踐教學(xué)可設(shè)計與之相對應(yīng)的教學(xué)項目。如第一模塊可以設(shè)計重塑自我、放飛夢想演講比賽，第二模塊可設(shè)計激情唱響勵志歌曲大賽，第三模塊可設(shè)計人生的價值辯論大賽，第四模塊可設(shè)計隨手拍——尋找身邊的道德模范攝影大賽，第五模塊可設(shè)計以案說法—法律情景劇大賽。

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Physical design of low-emittance L-band photocathode microwave electron gun

LI ChenglongTANG ZhenxingPEI Yuanji

（National Synchrotron Radiation Laboratory, University of Science and Technology of China, Hefei 230022, China）

Background: The development of high performance electron beam source has been a challenge for Free-electron Laser （FEL） based THz source which is critical for the energy, energy spread and emittance of the electron beam. Purpose: This work aims to find out the mechanism of emittance growth and developing a compensation technique for this emittance growth in the Radio Frequency （RF） gun cavity. Methods: First of all, a RF gun cavity is designed using POISSON Superfish to calculate its electro-magnetic field distribution for analysis of the emittance growth mechanism. Then, a compensation scheme is developed by employing a pair of solenoids to reduce the space charge emittance. Finally, the effectiveness of scheme is evaluated using the commonly used reliable simulation program ASTRA. Results: The simulation results show that the normalized transverse emittance of a 5.67-MeV electron bunch with 200 pC is reduced to 0.373 mm·mrad while the energy spread is reduced to 2.3‰. For a 5.67-MeV electron bunch with 1000 pC, the emittance and energy spread are reduced to 0.934 mm·mrad and 7.6‰, respectively. Conclusion: Simulation of the final design shows that the performance of the electron beam produced by the RF gun has achieved the requirements for THz source.

High quality electron beam source, Photocathode RF gun, Emittance, Compensation solenoid, Space charge force, Energy spread

LI Chenglong, male, born in 1987, graduated from University of Science and Technology of China in 2010, master student, major in nuclear

TL503.5

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.090203

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國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863）項目（No.2013AA8122009B）資助

李成龍，男，1987年出生，2010年畢業(yè)于中國科技大學(xué)，現(xiàn)為碩士研究生，核科學(xué)與技術(shù)專業(yè)

Supported by National High Technology Research and Development Program 863 （No.2013AA8122009B）

science and technique

2016-04-05，

2016-05-17