高亮度光阴极注入器的特性研究和束流品质提高

摘要

短波长自由电子激光、逆康普顿散射X光源等大型科研装置以及各种基于超短电子束的探测技术都需要高亮度电子束作为驱动，而电子注入器是产生高亮度电子束的关键装置。光阴极注入器能够产生具有低发射度、短束团长度等特征的高亮度电子束，已然成为加速器领域的热门研究课题。但是更低发射度、更短束团、更高亮度的设计目标以及装置运行中的技术限制对光阴极注入器的设计者提出了更多挑战，因此有必要对光阴极注入器的特性以及如何进一步提高束流品质进行深入的研究和探讨。本论文围绕光阴极注入器这一前沿课题对电子枪热发射度的测量方法、暗电流的特性研究和消除方法、微波腔的偏轴束流动力学研究和发射度补偿策略、注入器中的束团速度压缩优化技术、金属阴极的量子效率提高等方面进行了研究。
　　论文首先简要阐述高亮度电子源的研究现状、光阴极注入器的特点以及束流品质相关概念。在介绍光电发射过程、发射度常规测量方法之后，提出了基于漂移段测量热发射度的新方法，并对其涉及的物理过程进行详细的研究。模拟结果证明该方法能够直观地得到热发射度估算值，为束流发射度测量和光阴极热发射度特性的研究提供了方便。
　　电子枪由于腔壁和阴极表面的场致发射会产生不需要的暗电流，尤其是连续波运行时，暗电流会严重损害设备运行。为解决注入器中暗电流的技术限制，我们对电子枪产生的暗电流进行了空间分布、流强、能谱等特征的综合研究。先对VHF枪的场发射来源作了模拟和实验的研究，建立了暗电流发射模型并跟踪其输运过程。然后对暗电流进行了定量研究，分析了消除暗电流的各种措施。其中提出的基于被动准直器的暗电流消除法能够在不影响主束流的前提下巧妙且有效地消除90％的暗电流，有望运用于连续波X射线自由电子激光等对暗电流发射有苛刻要求的加速器装置中。
　　光阴极材料的使用寿命常常较短，同时存在量子效率随时间衰减、分布不均等问题。采用偏轴激光激发的方法可延长光阴极的使用寿命、改善量子效率分布不均等现象。但是微波腔的偏轴发射会引起束流横向-纵向相关性、发射度增长等问题，我们对这些技术难题作了具体剖析。同时建立了RF腔的偏轴束流动力学理论，通过双腔模型证明横向发射度补偿的可能性。采用投影发射度分解法，深层次分析偏轴束流的发射度增长原因，采用多目标遗传算法对偏轴束流的发射度进行优化，并得到详细的发射度补偿方案。为解决优化过程中的空间电荷力计算难题，我们建立了ASTRA和IMPACT-T两种软件联合模拟的方法，成功对偏轴束流进行科学、精确的优化计算。模拟结果证明在适当优化后，偏轴束流的发射度增长可控制在小范围内，在一定条件下的尾场效应也可忽略。偏轴运行方法将为光阴极注入器的高效稳定运行做出贡献。
　　速度压缩是提高束流峰值流强、缩短束团长度的方法之一，主要用于较低能量的注入器阶段。但是目前的技术只能实现3倍左右的低压缩倍数，高压缩倍数无法实现是受到了非线性压缩和发射度无法补偿等现象的限制。对此我们提出了两个层面的改进措施。第一，通过降低加速管的梯度，实现线性压缩过程。同时证明了降低加速梯度还能降低对系统精度的要求，有利于实验操作和成本的降低。第二，首次提出在降低加速梯度的基础上做减速相位注入的方法，从而获得超高倍数压缩且横向发射度完全补偿的高亮度电子束。设计了新颖的速度压缩方案，采用了多目标遗传算法进行方案优化，模拟结果该方法可以实现19倍的束团压缩倍数并完全补偿束流横向发射度。该结果对短波长自由电子激光等研究有重要价值。
　　偏振激光斜入射时光阴极的量子效率较高，但激光斜入射会引起光斑椭圆化、波前不同步等问题。我们提出了采用径向偏振激光正入射到圆锥型光阴极的设计构想，这种方法可以保持较高的量子效率，同时不会引起光斑椭圆化等问题。我们对它的可行性、束流模拟以及存在的问题进行了初步的研究。
　　最后，我们针对光阴极注入器特性探究时涉及的需要迸一步解决的问题进行了简要分析，对将来的改进工作提出了相关建议。

目录

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摘要

插图索引

表格索引

第一章 绪论

1．1 高亮度电子注入器及其应用

1．1．1 高亮度电子源介绍及发展现状

1．1．2 光阴极电子注入器的应用

1．1．3 光阴极电子注入器系统

1．1．4 合肥光阴极微波电子枪和APEX先进光注入器的简介

1．2 高亮度电子束的特征描述

1．2．1 相空间

1．2．2 发射度

1．2．3 亮度

1．2．4 下一代光源对电子束品质的要求

1．3 选题背景和意义

1．4 本论文的研究内容和创新点

1．4．1 论文的主要内容

1．4．2 论文工作的创新点

第二章 光阴极微波电子枪热发射度的相关研究

2．1 光电发射及热发射度

2．1．1 金属光电发射理论

2．1．2 半导体光阴极的光电发射

2．2 基于螺线管线圈扫描法测量横向发射度

2．2．1 螺线管线圈扫描法测量原理

2．2．2 扫描螺线管线圈的模拟结果

2．3 基于漂移段的热发射度测量方法的研究

2．3．1 用漂移段测量热发射度的原理

2．3．2 基于漂移段的发射度测量方案

2．3．3 RF效应、SC效应、mag效应对发射度的影响

2．3．4 不同条件下热发射度的模拟结果

2．3．5 基于漂移段测量的误差分析

2．3．6 关于电子枪传输矩阵的模拟研究

2．4 本章小结

第三章 光阴极注入器的暗电流及其消除方法的研究

3．1 场发射电子的产生和影响

3．2 VHF枪的暗电流来源

3．2．1 基于螺线管线圈的暗电流成像方法

3．2．2 暗电流图像测量结果

3．3 VHF枪暗电流的发射模型及输运过程

3．3．1 暗电流的脉冲时间分布

3．3．2 暗电流纵向动量均匀分布

3．3．3 暗电流的单粒子扫描研究

3．3．4 暗电流径向动量偏置

3．4 VHF枪暗电流的定量分析结果

3．5 基于准直器的暗电流消除方法

3．5．1 准直器孔径的选择

3．5．2 不同电子束流情况下的准直效果

3．5．3 准直方案的进一步简化和实验方案的提出

3．6 暗电流消除的其它方法

3．6．1 暗电流消除的综合考虑

3．6．2 主动法消除暗电流

3．7 本章小结

第四章 光阴极注入器的偏轴束流动力学的研究

4．1 偏轴电子束发射的动机和问题

4．1．1 有限的阴极使用寿命

4．1．2 激光偏轴运行存在的问题

4．2 RF腔中偏轴束流动力学理论的初步研究

4．2．1 时间相关的RF场横向效应

4．2．2 时间相关RF效应消除的理论模型

4．2．3 用双腔模型补偿发射度的模拟结果

4．3 光阴极注入器偏轴束流的初步模拟

4．3．1 偏轴束流在注入器中的输运

4．3．2 直接校准束流轨道的结果

4．4 基于遗传算法的偏轴束流发射度补偿方法

4．4．1 多目标遗传优化算法及其在高亮度注入器中的应用

4．4．2 基于MOGA算法进行偏轴束流发射度补偿的方法

4．4．3 10倍于束流尺寸的偏轴发射的优化方案

4．4．4 不同情况的偏轴束流优化的总结和分析

4．5 偏轴束流的投影发射度分解研究

4．5．1 偏轴束流的发射度分解原理

4．5．2 理想束流的发射度分解

4．5．3 未矫正的偏轴束流的发射度分解

4．5．4 优化后的偏轴束流的发射度分解

4．6 偏轴束流的空间电荷力计算的研究

4．6．1 ASTRA软件在空间电荷力计算中的局限性

4．6．2 IMPACT-T软件在偏轴束流优化中的局限性

4．6．3 ASTRA和IMPACT-T联合模拟方案

4．6．4 联合模拟方案在非空间电荷力作用下的可行性验证

4．6．5 考虑空间电荷力的IMPACT-T和ASTRA联合模拟结果

4．6．6 优化后的偏轴束流的轨道矫正

4．7 偏轴束流输运中的尾场效应

4．7．1 尾场的定义

4．7．2 聚束腔尾场对偏轴束流的影响

4．7．3 TESLA腔尾场对偏轴束流的影响

4．8 关于偏轴束流优化的改进建议

4．9 本章小结

第五章 光阴极注入器的束团长度压缩

5．1 高亮度电子束的束团长度压缩方法

5．1．1 束团压缩的基本概念

5．1．2 利用路径差异的压缩方法

5．1．3 利用速度差异的压缩方法

5．2 速度压缩方法的相关理论

5．2．1 速度压缩的基本机制

5．2．2 影响速度压缩的因素

5．2．3 速度压缩过程中的横向发射度补偿

5．3 高亮度注入器的低加速梯度下的速度压缩研究

5．4 基于减速相位注入的超高倍数速度压缩的实现

5．4．1 减速相位下的速度压缩机制

5．4．2 BAVB运行方案

5．4．3 BAVB的束团压缩和发射度补偿的优化结果

5．4．4 实现超高压缩倍数并补偿横向发射度的必要条件

5．4．5 发射度改善结果的讨论分析

5．5 本章小结

第六章 基于激光正入射的光阴极量子效率改善的初步研究

6．1 光阴极量子效率的改善

6．2 偏振激光的特点和激光入射角度

6．2．1 激光的偏振方向与入射角度

6．2．2 激光斜入射引起的问题

6．2．3 激光正入射的优缺点

6．3 基于径向极化激光正入射的量子效率提高方案

6．3．1 径向极化激光的正入射的构想

6．3．2 椎体阴极发射可能存在的问题

6．4 椎体表面的热发射度分析

6．4．1 平面阴极热发射度计算的理论模型

6．4．2 椎体阴极热发射度的理论分析

6．5 椎体阴极下的电子枪微波场分析

6．5．1 凹型阴极

6．5．2 凸型阴极

6．6 基于凸型圆锥体阴极的电子束跟踪模拟的初步研究

6．6．1 单个切片的模拟计算

6．6．2 三维电子束运动的初步研究

6．7 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 论文总结

7．2 工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果