光阴极微波电子枪调试及驱动激光整形技术研究

论文摘要

短波长自由电子激光装置要求注入器为之提供低发射度、低能散、高峰值流强的电了束,光阴极微波电了枪由于在这些参数方面的独特优势而成为直线加速器驱动的短波长自由电子激光装置注入器的首选。X射线自由电子激光装置所能达到的最短波长与束流横向归一化发射度成比例关系。同时,降低发射度和提高峰值流强可以有效的提高自由电子激光增益、降低其饱和长度,从而降低装置的建造成本。本文首先简要介绍自由电子激光和光阴极微波电子枪的发展,简单阐述了光阴极微波电子枪中的束流动力学,分析了引起束流横向发射度增长的因素,并介绍了对线性空间电荷力引起的发射度增长进行补偿的方法和原理。详细介绍了合肥光源光阴极微波电子枪系统中的主要组成部分。对其中的关键部分：驱动激光系统的各项参数进行了系统测量,给出了测量结果,同时在激光器的长期运行与维护中总结出了一套维护的步骤和方法。对时间同步系统进行了调试,获得了很好的同步精度。对光阴极微波电子枪进行了高功率测试及出束实验研究,并成功实现出束,对实验过程中遇到的各种问题进行了分析和讨论,给出了目前的测量手段所能测量的,光阴极微波电子枪各个系统的性能以及电子束品质的调试及测量结果,对结果进行了分析并指出了对其进行改善的途径和方法。详细研究了对于不同分布状态的驱动激光,斜入射引起的光斑椭圆化及波前不同步问题对束流品质的影响,研究结果表明：对于高斯分布脉冲,光斑椭圆化会导致横向发射度的增长,而波前不同步对横向发射度的影响可以通过调节加速相位得以优化；对于均匀分布脉冲,光斑椭圆化和波前不同步引起的横向发射度增长都不能通过调节加速相位及螺线管线圈磁场强度得到好的优化效果。为此,搭建了一套简单可调的波前整形系统对激光脉冲进行预处理并投入实验应用,其对束流横向发射度和脉冲时域分布状态的改善发挥了实际作用,横向发射度的改善效果与模拟结果相一致。通过模拟研究,我们还发现：对于横向均匀分布的激光脉冲,具有适当椭圆度的椭圆形光斑更有利于获得高品质的束流。为降低非线性空间电荷力对横向发射度的影响,本文对驱动激光脉冲的横向及纵向整形技术进行了系统研究。针对我们的皮秒激光脉冲,设计并搭建了纵向整形系统,获得了预期的纵向整形结果；在对激光的光束质量进行优化并对光斑进行处理后,利用横向整形器获得了较为理想的横向整形结果。鉴于均匀椭球体分布的脉冲可以完全消除非线性空间电荷力对束流横向发射度的影响,在横向及纵向整形系统的基础上给出了对激光脉冲进行近似均匀分布椭球体整形的方案,模拟研究了对我们的激光脉冲进行近似椭球体整形后横向发射度的改善效果。最后,为提高电子枪各部分的性能和电子束品质,提出了接下来的工作中所需解决的问题和相应的方法。在光阴极表面量子效率的提高及其均匀性的改善方面,详细分析了光阴极表面在线清洗技术,给出了利用驱动激光进行激光清洗的方案。简单介绍了可以对现有光阴极材料表面进行镀膜处理的,提高阴极量子效率的技术。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 自由电子激光
• 1.1.1 自由电子激光简介
• 1.1.2 自由电子激光类型
• 1.1.3 自由电子激光应用
• 1.1.4 自由电子激光在国内外的发展现状与发展趋势
• 1.2 短波长自由电子激光对束流品质的要求
• 1.3 光阴极微波电子枪的发展
• 1.3.1 用于自由电子激光的电子枪
• 1.3.2 光阴极微波电子枪
• 1.4 课题背景
• 1.5 论文工作的主要内容和创新点
• 1.5.1 论文工作的主要内容
• 1.5.2 论文工作的主要创新点
• 第2章 光阴极微波电子枪中的束流动力学及横向发射度
• 2.1 电子束团的纵向运动
• 2.2 电子束团的横向运动
• 2.3 光阴极微波电子枪的发射度
• 2.3.1 空间电荷效应引起的发射度
• 2.3.2 射频场引起的发射度
• 2.3.3 热发射度
• 2.3.4 阴极温度引起的发射度
• 2.3.5 阴极纵向磁场引起的发射度
• 2.4 发射度补偿
• 2.5 本章总结
• 第3章 光阴极微波电子枪各系统性能调试与测量
• 3.1 驱动激光系统
• 3.1.1 驱动激光系统简介
• 3.1.2 驱动激光参数测量
• 3.1.3 激光系统的故障排除
• 3.2 同步系统
• 3.2.1 微脉冲同步系统精度测景
• 3.2.2 宏脉冲同步效果测量
• 3.3 电子枪与发射度补偿线圈
• 3.3.1 电子枪
• 3.3.2 发射度补偿线圈,
• 3.4 高功率微波系统
• 3.5 束流品质测量系统
• 3.6 高功率老练
• 3.7 暗电流测量
• 3.8 本章总结
• 第4章 光阴极微波电子枪出束实验研究及电子束品质测量
• 4.1 电子枪出束
• 4.2 电荷量及量子效率测量
• 4.3 束团横向尺寸测量及由测量结果所发现的问题
• 4.4 束团横向发射度测量
• 4.5 热发射度测量
• 4.6 能量及能散测量
• 4.7 电子束团脉冲宽度测量
• 4.8 电子枪内微波场调谐
• 4.9 相位不稳定
• 4.10 本章总结
• 第5章 驱动激光斜入射光阴极对束流品质的影响及其校正
• 5.1 驱动激光斜入射引起的问题
• 5.2 斜入射对束流质量影响极其优化结果
• 5.2.1 横向纵向都是高斯分布的脉冲斜入射阴极对束流参数的影响及其优化结果
• 5.2.2 横向均匀分布纵向高斯分布的脉冲斜入射阴极对束流参数的影响及其优化结果
• 5.2.3 横向纵向都为均匀分布的脉冲斜入射阴极对束流参数的影响及其优化结果
• 5.3 校正椭圆度和波前不同步的光学方法——波前整形
• 5.4 波前整形对束流品质的改善效果
• 5.4.1 束流参数测量
• 5.4.2 束团发射度改善
• 5.4.3 脉冲时域分布状态的改善效果
• 5.5 本章总结
• 第6章 驱动激光整形技术研究
• 6.1 驱动激光脉冲横向整形
• 6.1.1 横向整形方法
• 6.1.2 横向整形结果
• 6.1.3 光斑尺寸选择
• 6.1.4 波前整形与横向整形的兼容
• 6.2 驱动激光脉冲纵向整形
• 6.2.1 纵向整形方法
• 6.2.2 干涉仪式脉冲堆积整形
• 6.2.3 发射度改善效果
• 6.3 激光脉冲椭球体整形
• 6.3.1 均匀椭球体分布
• 6.3.2 近似椭球体整形方案及发射度改善
• 6.3.3 近似椭球体整形参数选择
• 6.4 本章总结
• 第7章 光阴极微波电子枪性能改善
• 7.1 光阴极微波电子枪性能改善的措施
• 7.2 光阴极表面在线清洗
• 7.3 光阴极材料
• 7.4 本章总结
• 第8章 论文工作内容总结
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果