基于FEL高功率緊湊型THz源電子束裝置相關技術研究.pdf

1、中國科學技術大學國家同步輻射實驗室與華中科技大學聯(lián)合研制基于FEL高功率緊湊型THz源，其中國家同步輻射實驗室研制緊湊型電子束產(chǎn)生裝置為THz源提供高品質電子束流。該電子束產(chǎn)生裝置主要由強流二極槍、外注入式熱陰極獨立調諧(ETC-ITC)微波電子槍、加速管及聚焦系統(tǒng)、輸運線及束流測量系統(tǒng)等組成。本論文主要包含外注入式熱陰極獨立調諧微波電子槍的研制、準S2E束流仿真、束流調試及相關束流參數(shù)測量。同時本論文包含基于遺傳算法雙周期駐波加速結構

2、的優(yōu)化設計。
　　ETC-ITC微波電子槍采用雙駐波腔結構，其主要特點是電子源由外部二極槍注入，避免反轟效應;兩個腔體之間無耦合，微波功率分別獨立饋入。通過調節(jié)兩腔的饋入功率和相位，該槍能產(chǎn)生高品質的電子束流。此外未采用補償線圈和α磁鐵，結構緊湊簡單。根據(jù)束流動力學計算，選取一組理想的腔體結構參數(shù)和腔體及其耦合器尺寸，經(jīng)精密加工、微波參數(shù)及尺寸調配，完成該槍的研制。為了測量沿軸線電場分布，搭建一套基于National Instru

3、ment Labview軟件平臺自主開發(fā)的自動化測量系統(tǒng)，同時加工一標準圓柱腔體用于驗證該測量系統(tǒng)。在腔體加工調配期間，依據(jù)微波測量結果，修正結構參數(shù)，逐步逼近設計結果。腔體的測量結果與設計值相符合一致。
　　準S2E束流動力學分段仿真方案，電子源強流二極槍采用CST PARTICLESTUDIO(@)(CST PS)仿真;外注入式獨立調諧微波電子槍和加速管及聚焦系統(tǒng)首先采用單電子模型研究，然后采用宏粒子模型ASTRA程序研究束流

4、特性，其中加速管束流負載效應采用自編程序和ASTRA程序聯(lián)合仿真;輸運線仿真采用MADX和ELEGANT仿真。由于采用不同程序對注入器不同部件的聯(lián)合仿真，各程序之間的數(shù)據(jù)傳遞尤為重要，因此需要根據(jù)程序輸入輸出參數(shù)編寫程序接口。仿真計算結果，加速管出口束流能量為12.3 MeV、能散為1‰、橫向發(fā)射度約為14.3πmm· mrad，束團電荷量約為210 pC。
　　THz源電子束產(chǎn)生裝置安裝完成后，經(jīng)過二極槍激活，波導系統(tǒng)、ETC-

5、ITC以及加速管老煉，然后進行束流調試和測量。調試時，研究二極槍工作特性，測量二極槍不同燈絲電流及高壓對應陰極發(fā)射電流和ETC-ITC引出束流流強，觀察Flagl熒光靶、分析磁鐵彎轉末端熒光靶、直線末端熒光靶上的束流光斑，同時分別測量了在TOR1和TOR2上ETC-ITC出口和加速管末端宏脈沖束流流強。通過調節(jié)ETC-ITC的2＃腔功率及相位，加速管功率和相位，測量束流能量、能散、束團長度、橫向發(fā)射度等。在與設計值近似條件下出束，測量參

6、數(shù)為:束流中心能量為12.76 MeV、能散為3.2‰、束團長度為3.7 ps、宏脈沖流強為0.72A。目前初步調試參數(shù)與仿真結果基本吻合，已在國內處于領先水平，但仍需進一步調試。由于束流偏離四極鐵中心位置，需要通過校正鐵調試束流軌道，由于條件及時間限制，發(fā)射度測量系統(tǒng)在改進之中，其測試結果有待今后進行。
　　經(jīng)過大量文獻調研，我們是國際首次將遺傳算法替代傳統(tǒng)方法優(yōu)化雙周期駐波加速結構。均勻加速結構分路阻抗為114MΩ/m，比傳統(tǒng)