緊湊型亞毫米波FEL預(yù)注入器關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、為滿足高性能亞毫米波自由電子激光器(Free Electron Laser, FEL)對(duì)電子束流品質(zhì)的要求,高亮度電子束團(tuán)預(yù)注入器已經(jīng)成為人們研究的焦點(diǎn)。盡管光陰級(jí)注入器在產(chǎn)生高亮度電子束方面發(fā)展迅速并且成績卓越,但熱陰極注入器在產(chǎn)生高亮度和短脈沖束流方面也有其發(fā)展的潛力,尤其是其簡單易加工的結(jié)構(gòu)更是有利于亞毫米波自由電子激光器往小型化和應(yīng)用化方向發(fā)展。
  獨(dú)立調(diào)諧式微波電子槍(Independently Tunable Cel

2、ls RF gun)是以熱陰極發(fā)射電子,以多個(gè)駐波諧振腔完成束流脈沖化及能散補(bǔ)償?shù)男滦碗娮邮鴪F(tuán)預(yù)注入器。該結(jié)構(gòu)最大特點(diǎn)是腔與腔之間相互沒有耦合,每腔可分別獨(dú)立饋入功率和調(diào)節(jié)相位。通過選擇合適的饋入功率和高頻相位搭配,能夠得到較優(yōu)的束流品質(zhì)。此外還能避免α磁鐵和激光系統(tǒng)的使用,使整個(gè)結(jié)構(gòu)更加緊湊。在此基礎(chǔ)上采用陰極外置(External Cathode)的結(jié)構(gòu),能進(jìn)一步增大流強(qiáng)和降低能散度,同時(shí)消除電子反轟對(duì)陰極工作的不利影響。本論文則通

3、過將電子源改為雙陽極柵控電子槍,并適當(dāng)調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù),使得 EC-ITC微波電子槍的性能得到增強(qiáng)。最后,通過調(diào)諧兩腔場(chǎng)強(qiáng)和相位,在沒有補(bǔ)償線圈和α鐵的情況下可以獲得ps量級(jí)束團(tuán)長度,10-3量級(jí)能散度,微脈沖束團(tuán)有效電荷量大于200pC,能量約2.6MeV,歸一化發(fā)射度小于10πmmmrad的束流。
  本論文在綜合闡述FEL預(yù)注入器關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上,對(duì)增強(qiáng)型EC-ITC微波電子槍做了深入分析:首先利用一維模型對(duì)EC-ITC微波電子

4、槍的聚束性能進(jìn)行了估算,推導(dǎo)出首腔場(chǎng)強(qiáng)的近似最低值,并結(jié)合帶電粒子所受徑向力的公式分析了其各個(gè)組成部分的物理意義,然后通過束流動(dòng)力學(xué)仿真對(duì)上述理論研究工作進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果吻合良好。論文借用光陰級(jí)微波電子槍中發(fā)射度增長和發(fā)射度補(bǔ)償?shù)母拍?,?duì)EC-ITC首腔產(chǎn)生的束團(tuán)頭部的歸一化橫向發(fā)射度變化進(jìn)行了詳細(xì)研究,束流動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果顯示束團(tuán)頭部在經(jīng)過EC-ITC第二腔時(shí),因等效聚焦透鏡以及束團(tuán)整形的共同作用得到了發(fā)射度補(bǔ)償。此外,論文針對(duì)EC-I

5、TC微波電子槍多束團(tuán)工作狀態(tài),高頻場(chǎng)和輸入束流參數(shù)不穩(wěn)定性,以及準(zhǔn)直等非穩(wěn)態(tài)問題進(jìn)行了計(jì)算,并給出了調(diào)節(jié)范圍。
  在增強(qiáng)型EC-ITC微波電子槍的基礎(chǔ)上,論文提出了高性能緊湊型亞毫米波FEL注入裝置的物理設(shè)計(jì)方案,按照指標(biāo)要求對(duì)其中的主要部件,包括行波加速管、螺線管聚焦系統(tǒng)等分別進(jìn)行了初步設(shè)計(jì),最后給出了Start-to-end束流動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果。結(jié)果顯示,該方案可以實(shí)現(xiàn)高亮度電子束團(tuán)的穩(wěn)定引出。
  除此之外,由于對(duì)增強(qiáng)

6、型EC-ITC微波電子槍工作特性的深入分析可以得出其性能有改進(jìn)與提高的空間的結(jié)論,論文提出了提高束流利用率的任務(wù),該任務(wù)的最終目的旨在在保證亞毫米波FEL裝置性能指標(biāo)的同時(shí)降低電子源的設(shè)計(jì)壓力。論文總結(jié)出了ITC微波電子槍的設(shè)計(jì)規(guī)律,并以流程圖的方式給出了新型(Type Novel)ITC微波電子槍的設(shè)計(jì)方案。通過對(duì)多種不同場(chǎng)型的分析和對(duì)比,以及前人研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,給出了TN-ITC微波電子槍的物理設(shè)計(jì)結(jié)果。結(jié)果表明,這種新型ITC微

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