热阴极微波电子枪的改进设计

　第15卷　第4期强激光与粒子束Vol.15,No.4 2003年4月HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS Apr.,2003　

文章编号:100124322(2003)0420373204

热阴极微波电子枪的改进设计Ξ

吴　钢,　杨学平,　耿顺才,　王言山

(中国科学院高能物理研究所,北京100080)

摘　要:　北京自由电子激光目前所用热阴极微波电子枪输出的电子束,在经过加速管加速后,位于微波

脉冲前沿的电子束团存在能量偏高的现象,使得这部分电子无法对FEL增益做贡献。根据实验数据,分析了

造成该现象的原因,提出一种可行的改进措施,即通过降低微波谐振腔的品质因数缩短建场时间,来消除该现

象,以便提高整个装置的输出性能。

关键词:　微波电子枪;品质因数;微波谐振腔;电子束能散度;微波脉冲;自由电子激光;激光增益

中图分类号:TN12;TN242 文献标识码:A

高亮度强流电子枪是自由电子激光(FEL)的关键部件之一。在所有不同类型的电子枪当中,热阴极微波电子枪具有许多技术优点,所以,不断地改进这种电子枪的性能,一直就是FEL研究中的重要课题。针对北京自由电子激光(BFEL)目前的运行状态,本文设计出一种具有较低Q值的微波谐振腔,来改进正在使用的同类电子枪,以便使整个装置的性能指标得到全面的提高。

国外在80年代研制出来的第一代S波段热阴极微波电子枪,它的主体就是一个具有低Q值的微波谐振腔,其无载品质因数Q0=4000[1]。之所以能够得到如此之低的测量数据,是因为他们在微波谐振腔内放置了一个镀金不锈钢卡盘,并用它来调节上游鼻锥伸入腔内的位置。上海原子核研究所曾经制作了一个全不锈钢的高频谐振腔[2],其有载品质因数Q L=1019.6,无载品质因数Q0=2974。可见在微波谐振腔内加入不锈钢材料可以将腔体的品质因数降低,并且在技术上是完全可行的。总之,具有低Q值的微波谐振腔都是为了达到特殊的实用目的而制作的———前者是为了调节鼻锥位置更加方便,后者是为了缩短建场时间。与我们将要制作的微波谐振腔相比,前者在功能上与我们相同,而后者的目的与我们相同。所以,他们的经验都值得我们借鉴。

1　实验现象

FEL对电子束品质提出了较为严格的要求,激光增益与电子束各项参数存在如下关系

G∝

I

Σ

e

+Σo

F inh(σγ,σx,σy,σθx,σθy)(1)

式中:I为峰值电流;Σe和Σo分别代表电子束和光束的横截面;σγ是电子束能散度;其他各项为电子束横向发射度分量。为实现受激辐射振荡,电子束能散度必须满足的条件是:σγ<1/2N,N为扭摆器周期数。

BFEL扭摆器周期数为50,而在实验中测得的电子束脉冲平均能散度为0.7%,完全满足受激振荡条件。尽管如此,BFEL的激光输出能量与国外同类装置相比,还相差将近两个数量级。为寻找造成这一差距的原因,我们通过实验仔细研究了电子束脉冲内部的能量分布,实验原理见图1所示。

实验采用常规的90°分析磁铁成像法测量电子束能散度。在电子运行轨道上放置前狭缝以确定物距,在像平面上放置后狭缝,选取能散度宽度为0.2%的电子束,同时利用位于输运线终端的束流收集器,测量相应电子束的电流波形。这样,通过逐步改变分析磁铁的磁感应强度,就能获得电子束在各个能量范围内的电流2时间分布。沿能量方向叠加这些电流波形,就可得到电子束电流2时间2能量的三维图谱,它表征了单个微波脉冲内电子束的能量分布,这种一体化的方法能够很好地帮助我们了解电子束的整体性质。

在理想状态下,电子束电流沿能量方向应该是准高斯分布,在时间维度上应该是方波。然而,我们测得的实验结果却存在很大的形状畸变。图2显示了电子束电流沿时间和能量两个维度分布的等高图。我们发现在

Ξ收稿日期:2002211204;　修订日期:2003201223

基金项目:国家863计划项目资助课题

作者简介:吴　钢(19662),男,副研究员,主要从事北京自由电子激光课题(BFEL)研究;北京2732信箱;E2mail:wug@。

微波脉冲前沿存在全宽为6%的能量差异,远远高出0.7%的平均值(其核心离开平均值位置3%),在脉冲后沿也存在2%的能量差异,而且,在电子束的主体部分还存在多个较小的不连续尖峰。面对这些现象,我们做出如下判断:

(1)时间2能量上的不连续电流尖峰,对应于实验中测得的1%的微波相位纹波。

(2)脉冲后沿的能量差异对应于电子束注入相位的偏移。因为这部分电子来自于微波电子枪电子束反轰加热阴极后的大电流发射,由于束流负载效应其中心能量比较低,所以它们能够用较短的时间通过α磁铁,从而提前几个ps 注入加速管,获得较高的终态能量。

(3)脉冲前沿的能量差异来自于滞后的电子束注入时刻,此时加速管内建立的电场强度已经超出了正常的工作值[3]

。

Fig.1　Experimental setup of electron

beam energy spread measurement 图1　

电子束能散度测量原理示意Fig.2　Measurement results of electron beam energy spread inside one pulse

图2　电子束脉冲内能量分布测量结果

我们知道,脉冲内电子束能量分布不均匀,肯定会影响到FEL 的增益。因为那些速度不规则的电子将会跨越半个波长而运动到光场的加速区,会增加无益的损耗。鉴于最大部分的电子束能量偏移发生在脉冲前沿,而且存在一个电流密度核心,因此本文主要讨论上述判断中的第三种情况。另外,从经济方面考虑,最高效率

地利用有限的微波脉冲长度来加速电子也是非常有必要的,因为在这里,滞后的注入时刻浪费了0.4

μs 以上的加速时段(见后文),无偿地占用了全部顶部脉冲长度的10%。

2　问题分析

在BFEL 正常工作条件下,采用的是单个功率源分路馈电加速电子的技术,而它的两个负载———加速管和微波电子枪的各项工作参数都存在很大差异,致使加速管建场时间短于微波腔体。显然,这两个微波器件的匹配效果最终都要在电子束的品质上得到反映,因为它们各自的工作状态都是由电子束负载串联起来的。 图3显示出微波输入功率和微波电子枪发射电流的时间关系,(其中反轰效应增加了20%的电流发射)。

我们发现:微波前沿与电子束电流前沿在时间上是重合的,而微波功率输出达到稳定值所用时间约为1

μs ,发射电流达到稳定输出值所用时间约1.5

μs 。这说明微波谐振腔在有载情况下建场时间稍短于1.5μs ,也就是说电子枪发射电流中有0.5

μs 长的电子束偏离了正常的工作状态。图4显示出加速器各个输运段上的电流波形,(无论在底部还是在顶部),电子束脉冲都有逐渐变窄的趋势,而经过消色散偏转传输后,上述0.5

μs 长的电子束则在管道中完全损失了,况且还出现了脉冲顶部向后倾斜的现象。显然,图2所示电子束不能完整地参加FEL 的泵浦过程。

进一步的分析表明,上述现象并不是由加速管内的物理过程造成的。行波加速管的建场时间可表示为[4,5]

t F =2Q τ/ω(2)

式中:τ为加速管衰减常数;Q 为加速管固有品质因数;ω为微波圆频率。BFEL 所用加速管建场时间为

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