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
473强激光与粒子束第15卷
Fig.3　Waveform of microwave amplitude (a )and emitting
electron beam from RF gun (b )图3　
微波振幅包络和电子束发射电流波形Fig.4　Waveform of electron beam at different positions along the transport line
图4　各处电子束电流波形
0183
μs ,小于微波脉冲前沿上升时间,因此,可以认为加速管建场是与微波输出功率达到稳态同时完成的。

另一方面,驻波谐振腔的建场时间可用下式来表示[4,5]
E/E S =1-exp (-ωt/2Q L )(3)
式中:E/E S 是瞬态电场强度与稳态电场强度的比值,Q L 为微波谐振腔的有载品质因数。

从中可见,Q L 的大小与建场时间(在一般情况下E/E S =86.5%)成正比。

因此,降低谐振腔的Q L 无疑能够有效地压缩腔内建场时间。

然而,这仅仅是问题的一个方向,因为,微波电子枪是在有载的情况下建场的,而上式仅表示出无载情况下的建场时间。

在有载建场的情形中,腔体的耦合系数β值是个变化量,它要以冷测时的数值为起点,渐
渐接近理想的工作状态β=1,而且有Q L =Q 0/(1+β
)。

BFEL 目前所用高亮度电子源,是S 波段的单腔体双重入式热阴极微波电子枪,其无载品质因数在10000以上,有载品质因数Q L =2500,耦合系数β=3[6]。

利用前面的公式可算出相应微波腔的无载建场时间t ≈
0156
μs ;而根据实验测量结果,其有载建场时间在微波前沿上升时间之外,还要多用0.5μs 。

如果将微波谐振枪的有载建场时刻,提前到加速管的微波脉冲前沿的上升时刻之前,那么就可以认为这两个负载在同一时刻完成了建场过程,它们的工作也能够匹配起来。

3　改进设计
在BFEL 目前所用同源脉冲微波功率驱动下,向加速管注入电子束的时刻总是要比加速管完成建场的时刻晚。

对于集中馈电的功率源系统来说,分别在两个负载上调节微波触发时间来实现同时建场是不可能的,而达到这一目的的唯一的办法,就是设计低Q 值的微波电子枪,单方面压缩它的建场时间使两者同步达到稳态工作点。

模拟计算表明:在微波谐振腔体的两壁内侧使用不锈钢端盖,以取代电阻率较低的常规无氧铜材料,可将腔体的无载品质因数Q 0从13000减低到4000,同时也降低了腔体的有载品质因数和耦合系数,使后者更加接近于功率平衡状态(β=1),从而在有载建场的过程中,耗费的时间更少。

由此可见,降低微波谐振腔体的Q 值(连同其β值)有利于缩短建场时间。

新的设计能够使微波电子枪建场时间缩短0.4
μs ,从而将原来存在于脉冲前沿能量偏高的电子束改造成有用电子束,以提高功率源使用效率,进而增强FEL 输出能量。

其主要设计指标为:无载品质因数Q 0=4000,有载品质因数Q L =1600,分路阻抗R f =40M Ω,有用电子束输出能量约为1MeV ,有用电子束脉冲电流I
=012A ,脉冲工作宽度τ=4.5μs ,反轰效应引起的发射电流增长ΔI/I <15%,有用电子束发射度εrms <20mm
・mrad 。

4　结　论
改进后的热阴极微波电子枪具有以下优点:
(1)低Q 值微波谐振腔具有较宽的谐振频带,便于实验调谐,工作稳定性好。

(2)在射频微波加速电场与电子束的相互作用过程中,低Q 值微波谐振腔具有较低的加速效率,反过来也提高了输出电子束状态的稳定性。

它在降低腔内束流负载效应的同时,也限制了电子束反轰阴极造成的发射增长所导致的脉冲后沿电子束能量的下降———见上述实验现象判断2。

因此,提高腔内电场有载工作时的稳
5
73第4期 吴　钢等:热阴极微波电子枪的改进设计
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定性,可以对抗电子束反轰阴极效应造成的腔内电场随时间下降,以及电子束品质的下降。

(3)尽早将电子束注入加速管,可降低脉冲前沿电子束的能量上升幅度,从而在较宽的脉冲范围内获得有用的电子束输出。

(4)低Q值微波谐振腔过度消耗的微波功率,能够依靠有用电子束的增多而获得足够的补偿和额外的收益。

粗略的计算表明:建场时间缩短0.4μs,则在工作于低功率状态下的微波电子枪内(电子束能量增益1MeV),要多消耗0.5MW的微波功率;而在工作于高功率状态下的加速管内(电子束能量增益30MeV),开发出来的0.4μs长的电子束(脉冲全宽4.5μs),则将整个功率源的使用效率提高了10%,相当于1.4MW,这样我们就可获得0.9MW微波功率的净收益。

总之,这种新型微波电子枪能够在单个的微波脉冲内,提供性质比较均匀一致的串列电子束,这些性质包括电子束的能量、能散度、发射度、电流强度、相位关系等等。

而电子束性质均匀性的改善,无疑地有利于光电转换效益的提高。

参考文献:
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entrant cavity and its cathode structure for the thermionic microwave gun.High Energy Physics and N uclear Physics,1994,18(7):658—663) Upgrade design of a thermionic cathode RF gun
WU G ang,Y AN G Xue2ping,GEN G Shun2cai,WAN G Y an2shan
(Institute of High Energy Physics,the Chinese Academy of Sciences,P.O.Box2732,Beijing100080,China)
Abstract:　There is an ununiformity with the electron beam energy spread at Beijing Free Electron Laser Facilitis.It is observed that the electron energy in front of the current pulse rose much higher than the average,that this portion of electron bunchs lost in the bending segment and could not devote its energy to laser gain.This disfigurement is considered to be caused by the difference of building time of microwave field inside the RF gun and the accelerator.One cavity with low quality factor to shorten this difference was introduced in this paper,and an upgrade design of new thermionic cathode made of this kind of cavity is expected to improve laser gain.
K ey w ords:　RF gun;Quality factor;Microwave resonant cavity;Electron beam energy spread;Microwave pulse;Free electron laser;Laser gain。