高亮度光陰極注入器的特性研究和束流品質(zhì)提高.pdf

1、短波長自由電子激光、逆康普頓散射X光源等大型科研裝置以及各種基于超短電子束的探測技術(shù)都需要高亮度電子束作為驅(qū)動(dòng)，而電子注入器是產(chǎn)生高亮度電子束的關(guān)鍵裝置。光陰極注入器能夠產(chǎn)生具有低發(fā)射度、短束團(tuán)長度等特征的高亮度電子束，已然成為加速器領(lǐng)域的熱門研究課題。但是更低發(fā)射度、更短束團(tuán)、更高亮度的設(shè)計(jì)目標(biāo)以及裝置運(yùn)行中的技術(shù)限制對(duì)光陰極注入器的設(shè)計(jì)者提出了更多挑戰(zhàn)，因此有必要對(duì)光陰極注入器的特性以及如何進(jìn)一步提高束流品質(zhì)進(jìn)行深入的研究和探討。本

2、論文圍繞光陰極注入器這一前沿課題對(duì)電子槍熱發(fā)射度的測量方法、暗電流的特性研究和消除方法、微波腔的偏軸束流動(dòng)力學(xué)研究和發(fā)射度補(bǔ)償策略、注入器中的束團(tuán)速度壓縮優(yōu)化技術(shù)、金屬陰極的量子效率提高等方面進(jìn)行了研究。
　　論文首先簡要闡述高亮度電子源的研究現(xiàn)狀、光陰極注入器的特點(diǎn)以及束流品質(zhì)相關(guān)概念。在介紹光電發(fā)射過程、發(fā)射度常規(guī)測量方法之后，提出了基于漂移段測量熱發(fā)射度的新方法，并對(duì)其涉及的物理過程進(jìn)行詳細(xì)的研究。模擬結(jié)果證明該方法能夠直觀

3、地得到熱發(fā)射度估算值，為束流發(fā)射度測量和光陰極熱發(fā)射度特性的研究提供了方便。
　　電子槍由于腔壁和陰極表面的場致發(fā)射會(huì)產(chǎn)生不需要的暗電流，尤其是連續(xù)波運(yùn)行時(shí)，暗電流會(huì)嚴(yán)重?fù)p害設(shè)備運(yùn)行。為解決注入器中暗電流的技術(shù)限制，我們對(duì)電子槍產(chǎn)生的暗電流進(jìn)行了空間分布、流強(qiáng)、能譜等特征的綜合研究。先對(duì)VHF槍的場發(fā)射來源作了模擬和實(shí)驗(yàn)的研究，建立了暗電流發(fā)射模型并跟蹤其輸運(yùn)過程。然后對(duì)暗電流進(jìn)行了定量研究，分析了消除暗電流的各種措施。其中提出的

4、基于被動(dòng)準(zhǔn)直器的暗電流消除法能夠在不影響主束流的前提下巧妙且有效地消除90％的暗電流，有望運(yùn)用于連續(xù)波X射線自由電子激光等對(duì)暗電流發(fā)射有苛刻要求的加速器裝置中。
　　光陰極材料的使用壽命常常較短，同時(shí)存在量子效率隨時(shí)間衰減、分布不均等問題。采用偏軸激光激發(fā)的方法可延長光陰極的使用壽命、改善量子效率分布不均等現(xiàn)象。但是微波腔的偏軸發(fā)射會(huì)引起束流橫向-縱向相關(guān)性、發(fā)射度增長等問題，我們對(duì)這些技術(shù)難題作了具體剖析。同時(shí)建立了RF腔的偏軸

5、束流動(dòng)力學(xué)理論，通過雙腔模型證明橫向發(fā)射度補(bǔ)償?shù)目赡苄?。采用投影發(fā)射度分解法，深層次分析偏軸束流的發(fā)射度增長原因，采用多目標(biāo)遺傳算法對(duì)偏軸束流的發(fā)射度進(jìn)行優(yōu)化，并得到詳細(xì)的發(fā)射度補(bǔ)償方案。為解決優(yōu)化過程中的空間電荷力計(jì)算難題，我們建立了ASTRA和IMPACT-T兩種軟件聯(lián)合模擬的方法，成功對(duì)偏軸束流進(jìn)行科學(xué)、精確的優(yōu)化計(jì)算。模擬結(jié)果證明在適當(dāng)優(yōu)化后，偏軸束流的發(fā)射度增長可控制在小范圍內(nèi)，在一定條件下的尾場效應(yīng)也可忽略。偏軸運(yùn)行方法將為

6、光陰極注入器的高效穩(wěn)定運(yùn)行做出貢獻(xiàn)。
　　速度壓縮是提高束流峰值流強(qiáng)、縮短束團(tuán)長度的方法之一，主要用于較低能量的注入器階段。但是目前的技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)3倍左右的低壓縮倍數(shù)，高壓縮倍數(shù)無法實(shí)現(xiàn)是受到了非線性壓縮和發(fā)射度無法補(bǔ)償?shù)痊F(xiàn)象的限制。對(duì)此我們提出了兩個(gè)層面的改進(jìn)措施。第一，通過降低加速管的梯度，實(shí)現(xiàn)線性壓縮過程。同時(shí)證明了降低加速梯度還能降低對(duì)系統(tǒng)精度的要求，有利于實(shí)驗(yàn)操作和成本的降低。第二，首次提出在降低加速梯度的基礎(chǔ)上做減速相

7、位注入的方法，從而獲得超高倍數(shù)壓縮且橫向發(fā)射度完全補(bǔ)償?shù)母吡炼入娮邮?。設(shè)計(jì)了新穎的速度壓縮方案，采用了多目標(biāo)遺傳算法進(jìn)行方案優(yōu)化，模擬結(jié)果該方法可以實(shí)現(xiàn)19倍的束團(tuán)壓縮倍數(shù)并完全補(bǔ)償束流橫向發(fā)射度。該結(jié)果對(duì)短波長自由電子激光等研究有重要價(jià)值。
　　偏振激光斜入射時(shí)光陰極的量子效率較高，但激光斜入射會(huì)引起光斑橢圓化、波前不同步等問題。我們提出了采用徑向偏振激光正入射到圓錐型光陰極的設(shè)計(jì)構(gòu)想，這種方法可以保持較高的量子效率，同時(shí)不會(huì)引