强流低发射度光阴极微波电子枪的优化设计

第12卷　第6期
强激光与粒子束V o l .12,N o .6 2000年11月H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E B EAM S N ov .,2000　文章编号:　1001—4322(2000)06—0727—05
强流低发射度光阴极微波电子枪的优化设计
Ξ
郝建奎,　赵　夔,　张保澄,　杨　希,　唐渝兴,　黄森林,　陈佳洱
(北京大学教育部重离子物理重点实验室,北京大学重离子所,北京100871) 摘　要:　为了实现高增益FEL ,对其关键部件光阴极微波电子枪进行了优化设计,还就发射度补偿技
术进行了较详细的考虑,并用PA RM ELA 程序进行了粒子动力学的模拟,初步给出了为降低初始电子束团
横向发射度的优化参数。

关键词:　自由电子激光;　光阴极微波电子枪;　发射度补偿
中图分类号:　TL 503 文献标识码:　A
随着前沿科学领域的迅速发展,人们迫切需要高亮度、短脉冲、可调的相干X 射线光源,这些需求促使人们对第四代光源[1]进行探索性研究。

这种新一代光源将是高增益自由电子激光,它可以产生短至0.1nm 的高亮度X 射线激光,其峰值亮度比当前的第三代同步辐射光源高近10个量级,平均亮度高3～5个量级,脉冲长度小2个量级,达到亚皮秒的水平且完全横向相干。

高增益自由电子激光对电子束流的品质要求比较严格:能量要达到几个到几十个GeV ,相对能散度小于0.1%,峰值电流达到几kA ,归一化发射度(rm s )为几个
Πmm ・m rad ,脉冲长度(rm s )为几百fs [2]。

随着电子直线加速器技术和光阴极微波电子枪[3]的进展,高增益
FEL 的实现成为可能。

本文对光阴极微波电子枪进行了优化设计,考虑了电子束发射度补偿技术并对电子束初始参数和补偿线圈进行了优化。

1　光阴极微波电子枪的优化设计
1.1　光阴极微波电子枪
F ig .1　Configurati on of pho tocathode R F gun 图1　光阴极微波腔结构原理图
激光驱动的光阴极微波电子枪能产生出高亮度、
短脉冲、低发射度的高品质电子束,具有热阴极微波电
子枪、场致发射微波电子枪所无法比拟的优越性。

光阴
极微波电子枪主要由微波腔、光阴极、激光系统和同步
系统组成。

光阴极微波腔的原理图如图1所示。

光阴极置于
半腔入口处的腔壁上,激光以极小的入射角沿轴线入
射;采用轴向对称式微波耦合;螺线管线圈用来补偿发
射度。

同轴对称结构能够有效抑制由于场分布的不对
称性对电子束发射度的影响,同时允许螺线管线圈放
在其最佳的位置上。

1.2　腔形设计的基本考虑 为了产生强流、低发射度、超短脉冲电子束团,腔形设计非常关键。

腔形设计的物理要求是:(1)要在光阴极处产生足够高的峰值加速电场,使电子尽快加速至光速,从而减少非相对论情况下空间电荷效应对发射度增长的影响;(2)使腔中的微波径向场E r 随r 分布的线性区域尽量大,从而减少非线性微波场对电子束发射度增长的影响;(3)腔的束流传输孔径要大,可以遏制尾场对电子束流的影响;(4)使腔的有效分路阻抗尽量Ξ收稿日期:1999209224; 修订日期:2000209227
基金项目:国家自然科学基金资助课题(19735004)
作者简介:郝建奎(19722),男,在读博士,加速器物理专业。

大,以增加高频功率转化为电子束能量的效率。

频率选择由直线加速器的工作频率确定,我们定为1.3GH z 。

并且准备用1.6单元腔,工作在Π模式,参看图1。

1.3　微波腔腔形的优化
我们用SU PER F ISH 程序对腔形的尺寸、半腔和整腔间的Iris 厚度及半径作了仔细的调节,以使频率、场型分布、工作模式与设计要求一致。

在进行Iris 设计时选择其孔径和厚度之比为1,这时能给出Iris 尺寸的最优估计[4]。

在选择Iris 半径或厚度时采取折衷的选择:一方面厚度提高有利于腔的冷却(加冷却管),增加导热性,而且半径的增加能提高腔与腔之间的耦合,增加场的稳定程度;另一方面,增加Iris 的半径和厚度会降低腔的分路阻抗。

经过优化后,本设计选择2c m 。

半腔长度的选择一般比0.5个腔要长,主要是为了在横向上得到更好的聚焦,从而抑制横向发射度的增长,但是它以增长纵向发射度为代价,在选择时还要考虑到(由束流动力学可知)当E 1 E 2在0.7
～1.5(E 1为半腔的峰值场强,E 2为整腔的峰值场强)范围里时对横向发射度的影响比较小。

表1给出了半腔长度不同时各参数的变化。

表1　微波腔参数随半腔长度的变化
Table 1　Parameters of RF cav ity with length of the half -cell
length of half 2cell
0.450.50.550.60.63frequency M H z
1304.1121302.3411301.2101300.2211299.796E m ax
(M V ・m -1)4.2813.6243.0772.3391.834energy gain M eV
2.462.89
3.43
4.46
5.58E 1 E 28.6
5.73.82.01.3Εtrans (Πmm ・m rad )
1.77111.68481.48641.39681.4060 由上表可看出,随着半腔长度的增加,场更趋于均衡;当半腔长为0.6个腔时,电子束的横向发射度最小,但考虑腔中场的均衡性和能量增益,在此我们选择半腔长度约为0.63个腔。

由SU PER F ISH 程序可得到腔的各种电参数,计算结果如下:(1)微波腔中的电场分布:图2为用SU PER F ISH 模拟产生的微波腔的二维R F 场形。

当轴平均电场为1M V m 时,光阴极处的电场1.37M V
m 。

(2)微波径向电场与半径的关系:图3为微波径向场E r (z ,r )与r 的关系。

由图可知由于在腔形上的考虑,半径在r =2.0c m 内线性关系非常明显,从而可有效的抑制由于非线电场力对发射度增长的影响。

(3)腔的其它参数如表2。

F ig .2　F ield distributi on in R F cavity 图2
　腔内场形分布图
F ig .3　E r w ith r at different z
图3　z 取不同的值时,E r 与r 的关系
表2　腔的其它参数Table 2　Opti m ized parameters of the RF cav ity
frequency M H z
sto red energy J pow er dissi pati on W quality facto r Z T 2 (M 8・m -1)tran sit ti m e facto r 1299.796080.00717642140.008727387.227.70
0.5612　发射度补偿技术的考虑
在光阴极微波电子枪的设计中,束流横向发射度是一个极其重要的参数。

为了尽量减少横向发射度,本文讨论了各种有效的方法。

827强激光与粒子束第12卷
2.1　横向发射度的增长
影响横向发射度增长的原因很复杂,主要原因为:(1)空间电荷力:在电子的低能段,空间电荷力对横向发射度增长的影响特别明显,下面将详述针对空间电荷力对发射度的影响所采取的发射度补偿措施;(2)非线性电磁场力:这个因素的影响已经在腔形设计中得到了优化解决;(3)线性电磁场力:由于总是存在场分量E r 和H Η,便产生了一径向力F r =eE r -e Λ0ΤH Η,从而对横向发射度产生影响;(4)激光从光阴极打出电子时本身具有的热发射度的影响,一般来说光阴极发射度可以忽略,但对大尺寸束斑,这个发射度会变得重要起来。

光阴极产生的归一化热发射度公式为[5]:Ε=r ∃E
(m c 2),其中r 为光阴极半径,∃E 为激光能量与光阴极功函数的差值,m 为电子的静止质量。

这些参数由光阴极本身与激光参数决定,通过PA RM ELA 进行模拟得到优化的电子束初始参数,即可得到对激光器参数的要求。

2.2　发射度补偿技术
空间电荷力在束团中央最强,随着距离的增加而递减。

由于束团中央与尾端受到的空间电荷力不同,使得束团在相空间中如扇形展开,如果在微波腔的恰当位置放上起聚焦作用的螺线管,使得扇形相图得到反转,经过一段飘浮距离,扇形相图会收缩,从而使发射度得到补偿。

其原理如图4所示:光阴极处的初始发射度非常小如图4(a );经过一段漂移后由于空间电荷效应引起发射度增长如图4(b );加了螺线管后,由于聚焦作用而引起相图的反转如图4(
c );经过一段漂移空间后,发射度得到了很好的补偿如图4(
d )。

F ig .4　Changes of transverse emm ittance
图4　横向相空间发射度增长与减小过程的示意图
3　初始电子束参数模拟和优化
横向发射度是光阴极微波腔设计时极为重要的一个参数,为减小电子束团的横向发射度,我们用PA RM ELA 程序进行了模拟和优化。

除了特别声明为纵向发射度外,以下的发射度均指粒子数占总数的90%时的束流横向归一化发射度(rm s )。

3.1　束团的初始半径和时间结构的优化
在腔的低能部分,由于束流各部分受到的空间电荷力不一样,横向和纵向发射度都将会急剧增加。

对于给定的束团电荷(本文为1nC ),初始时不同的束流半径和时间结构的选择对改善束流横向发射度特别重要。

在本文的模拟中,假设束团在径向方向上电荷密度分布均匀,在时间上分布为有平顶的高斯分布,定义ΡФ为高斯分布的半高宽(FW HM ),2Фm ax 为高斯分布的截止宽度,∆Ф为高斯分布的平顶宽度,r 0为初始电子束斑半径的大小,E 0=40M V m 为轴上平均电场强度,Α
=32°为参考粒子入射时的相位。

图5给出了横向归一化(rm s )发射度随初始束流半径变化的关系图。

没有加螺线管磁场及任何后续元件。

我们可以看到当r =0.20c m 时横向发射度有一个最小值。

图6和图7给出束流初始时间结构对束流横向发射度的影响,对于束流平顶时间宽度来说,有一最佳值使横向束流发射度取最小,此时∆Ф为3.5p s 。

图7说明随着束流的上升时间的增长,横向发射度也随之增长,考虑到纵向方向的发射度和激光的时间微脉冲宽度(FW HM )为5～20p s ,在此选择ΡФ为210p s ,此时的电子束脉宽(FW HM )为5.5p s 。

图8给出了平均加速场强E 0与归一化横向发射度之间的关系,由图可知平均加速场强的提高有助于横9
27第6期郝建奎等:强流低发射度光阴极微波电子枪的优化设计
向发射度的改善。

图9给出了参考粒子入射相位Α与横向归一化发射度之间的关系。

由图可看出当入射相位为37°时横向发射度最小。

F ig .5　Em ittance w ith radius of beam 图5　初始电子束半径与
横向发射度的关系F ig .6　Em ittance w ith flat top of beam 图6　初始电子束团平顶与
横向发射度的关系F ig .7　Em ittance w ith riseti m e of beam
图7　初始电子束上升时间与
横向发射度的关系
F ig .8　Em ittance w ith electric field on axis 图8
　轴上平均电场强度与横向发射度的关系F ig .9　Em ittance w ith input phase of referenced particle
图9　参考粒子的入射相位Α与横向发射度的关系
这种优化方法各参数是相互独立的,相互之间具有无关性。

最后得到优化参数值如下:Ρr :0.20c m ,ΡФ:2.0p s ,∆Ф:3.5p s ,E 0:40M V m ,Α:37°,Q :1nC ,Фm ax :2
.0p s 。

由PA RM ELA 模拟可得到的腔出口处的发射度为:横向发射度Εm ax,n (x ,90%):1.406Πmm ・m rad ,
Εm ax,n (y ,90%):1.259Πmm ・m rad ,纵向发射度Ε(z ,90%):14.78degree ・keV 。

3.2　补偿线圈的作用
螺线管线圈对发射度的补偿作用与线圈的位置、线圈产生磁场的大小密切相关,要对其进行仔细优化、调整。

由于在前面参数给定的条件下,线圈的位置与所产生的磁场的大小对发射度的影响不是独立的,所以不能采取与上面相同的优化方法。

经过多次调节得出一较好的值,当线圈的位置为12.5c m ,电流大小为20A 时发射度为1.39Πmm ・m rad 。

如果腔的后面再加上别的元件,如加一段漂移管,则补偿线圈的位置和电流又必须重新优化。

4　小　结
本文通过对光阴极微波电子枪的优化设计和对发射度补偿技术的考虑,给出了一组较好的参数,由PA RM ELA 模拟得到了横向发射度为1.39Πmm ・m rad ,基本达到了设计时的要求。

下一步将继续优化,以使横向发射度改善到1Πmm ・m rad 。

参考文献:
[1]　Co rnacch ia M ,W inick H .P roceedings of the wo rk shop on fourth 2generati on sources [C ].1992,24～27.
[2]　R ichmond G .R epo rt of the basic energy sciences adviso ry comm ittee ,panel on novel coherent ligh t sources [R ].1999,19～21.
[3]　Sheffield R L .Pho tocathode R F guns ,in physics of particle accelereto rs [J ].A IP 1989,184:1500.
037强激光与粒子束第12卷
[4]　Dw ersteg B .R F gun design fo r the T ESLA VUV free electron laser [R ].T ESLA 2FEL R epo rt ,1996:96～13.
[5]　T ravier C .A n introducti on to pho to 2injecto r design [J ].N ucl Instr and M eth ,1994,A 340:26～39.
Opti m ized D esign for H igh -Curren t ,
L ow -Emm ittance Photoca thode RF Gun
HAO J ian 2ku i ,ZHAO Ku i ,ZHAN G Bao 2cheng ,YAN G X i ,TAN G Yu 2x ing ,
HUAN G Sen 2lin ,CH EN J ia 2er
(M in isttry of E d uca tion K ey L abora tory of H eavy Ion P hy sics P ek ing U n iversity ,
Institu te of H ea ry Ion P hy sics ,B eij ing U n iversitry ,B eij ing 100871,Ch ina )
ABSTRACT :　To realize the requ irem en t of SA SE FEL to electron beam ,th is paper op ti m izes the design of pho tocathode R F gun and con siders the em ittance compen sati on techn iques specifically .It also m akes the si m u lati on of the particle dynam ics w ith PA RM ELA .A t last it gives ou t the op ti m ized param eters of the in itialized electron beam to m in i m ize the no rm alized tran sverse em ittance .
KEY WOR D S :　free electron laser (FEL );pho tocathode R F gun ;em ittance compen sati on
1
37第6期郝建奎等:强流低发射度光阴极微波电子枪的优化设计。