低发射度光阴极微波电子注入器理论及初步实验研究

论文摘要

光阴极微波电子注入器(RF Photoinjector)是一种能够用于X射线自由电子激光装置和汤姆逊散射X射线源等的高亮度电子束源。降低光阴极微波电子注入器的归一化发射度,能够显著减小X射线自由电子激光装置的波荡器长度和提高汤姆逊散射X射线源的谱峰值亮度。从理论上探讨进一步降低光阴极微波电子注入器的发射度的可能途径是很有意义的。另一方面,国内汤姆逊散射X射线源和深紫外自由电子激光项目对S波段光阴极微波电子枪需求迫切,而国内还没有建成S波段光阴极微波电子枪,我们有必要对S波段光阴极微波电子枪进行实验研究,并建成S波段光阴极微波电子枪。因此,本论文一方面从理论上探讨进一步降低光阴极微波电子注入器发射度可能的途径;另一方面,进行了S波段1.6Cell光阴极微波电子枪的实验研究。光阴极微波电子注入器的发射度由两部分构成:其一是由电子发射过程决定的热发射度;其二是在传输、加速过程中空间电荷和射频相位等效应引入的关联发射度。关联发射度在电子束空间电荷力作用下,可以得到一定程度的减小亦即补偿。目前国际上一些金属光阴极热发射度测量结果与理论计算值相比明显偏大,阴极的粗糙度可能对热发射度有重要贡献。为此我们建立理论模型,对金属阴极表面粗糙度导致的表面杂散电场贡献的热发射度进行了分析。我们对加工的样品进行了表面形貌测量,依据结果估算这部分效应对热发射度的贡献为0.3mm·mrad/mm激光半径。我们在一阶近似下,对注入器中空间电荷占优相对论电子束的关联发射度(包括关联投影发射度和关联切片发射度)的补偿过程做了解析分析,得到注入器束线中两种关联发射度的变化对初始相空间的定量依赖关系以及漂移段内两种关联发射度变化的解析表达式。在对发射度构成以及补偿的分析的基础上,我们提出两种可能进一步降低现在国际上1nC、10ps电子束注入器发射度的途径。本论文的另一部分主要内容是S波段BNL/KEK/SHI型光阴极微波电子枪初步实验研究。我们完成了一个S波段BNL/KEK/SHI型光阴极微波电子枪的设计加工、调谐、焊接以及高功率测试。完成焊接后的电子枪π模频率为2856.22MHz(换算到45摄氏度真空状态),半腔与整腔场强比值为1.0。经过约200小时的微波老练,馈入电子枪的功率达到4.5MW,对应的阴极面峰值场强约75MV/m。测量到4.5MW功率下暗电流流强约5mA,电荷量约2.5nC。通过暗电流测量拟合得到场增强因子值为140。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 描述电子束团的参数.
• 1.1.1 相空间分布.
• 1.1.2 发射度.
• 1.1.3 亮度.
• 1.2 用于汤姆逊散射源X射线源及X射线FEL的电子枪和注入器.
• 1.2.1 汤姆逊散射X射线源对电子束品质的要求.
• 1.2.2 短波长FEL对电子束品质的要求.
• 1.2.3 能够用于汤姆逊散射X射线源和X射线FEL的电子枪和注入器.
• 1.2.4 注入器发射度对于汤姆逊散射X射线源和短波长FEL的重要意义.
• 1.3 光阴极微波电子注入器的发展现状.
• 1.4 论文工作的主要内容及创新点.
• 1.4.1 论文工作的主要内容.
• 1.4.2 论文工作的创新点.
• 第2 章 金属阴极的光电发射与热发射度
• 2.1 光电发射与热发射度.
• 2.1.1 金属材料的光学吸收和反射.
• 2.1.2 体发射及其发射模型.
• 2.1.3 体发射情形下的热发射度.
• 2.1.4 表面发射对热发射度的影响.
• 2.2 表面粗糙度造成的热发射度.
• 2.3 小结.
• 第3章 光阴极微波电子注入器发射度的构成与发射度补偿
• 3.1 光阴极微波电子注入器理论介绍.
• 3.1.1 纵向运动.
• 3.1.1.1 光阴极微波电子注入器纵向运动基本理论.
• 3.1.1.2 空间电荷效应对纵向运动的影响.
• 3.1.2 横向运动基本理论.
• 3.1.2.1 横向运动基本理论.
• 3.1.2.2 射频发射度.
• 3.1.2.3 空间电荷效应发射度.
• 3.2 空间电荷占优相对论电子束在注入器束线中发射度的变化.
• 3.2.1 相对论电子束的横向运动及发射度补偿介绍.
• 3.2.2 关联投影发射度和关联切片发射度的近似表达式.
• 3.2.3 关联投影发射度和关联切片发射度在束线中的变化.
• 3.2.4 关联切片发射度在漂移段中变化.
• 3.2.5 关联切片发射度在IE加速段中的变化.
• 3.2.6 解析结果与Parmela计算结果的比较.
• 3.2.7 波裂和能散度对发射度变化过程的影响.
• 3.2.8 一阶解析分析应用到与LCLS束线上.
• 3.3 小结.
• 第4 章 进一步降低光阴极注入器发射度的探索性模拟计算
• 4.1 注入器优化计算的模型及准则.
• 4.2 激光束为三维均匀椭球时能达到的最小发射度.
• 4.3 场强高于143MV/m情形下的能达到的最小发射度
• 4.4 小结.
• 第5 章 1.6Cell微波电子枪微波特性及测量
• 5.1 BNL/KEK/SHI型1.6Cell微波电子枪微波特性计算
• 5.1.1 基本微波特性参数.
• 5.1.2 腔链耦合模型.
• 5.1.3 阴极盘真空密封圈附近的场分布.
• 5.1.4 波导到整腔的耦合.
• 5.1.5 波导非对称性造成的发射度增长.
• 5.2 腔体机械结构设计及加工.
• 5.3 1.6Cell微波电子枪调谐.
• 5.3.1 1.6Cell微波电子枪冷测调谐步骤及目标.
• 5.3.2 1.6Cell微波电子枪微波特性测量.
• 5.4 1.6Cell微波电子枪焊接.
• 5.5 小结.
• 第6 章 热测实验台及实验结果
• 6.1 热测实验台.
• 6.2 老练过程及结果.
• 6.3 小结.
• 第7 章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A AFM表面形貌完整结果
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果