低发射度C波段光阴极微波电子枪设计与优化

摘要

自由电子激光(Free Electron Laser,FEL)对电子束的发射度有极高的要求.近年来,可产生短电子束团并且具有高亮度性质的电子枪,是研发高性能FEL的核心部分,也是重要挑战与研究热点.一个很有前景的方向是提高微波电子枪(RF电子枪)内的加速梯度.提高现有电子枪的梯度,需要对电子枪微波场的优化、螺线管的设计和束流初始分布设置有全新的方案.为了解决这个需要多参数协调优化的问题,本文基于上海软X射线自由电子激光装置,率先从空间电荷力、加速电场与发射度补偿的角度,系统地分析和探索了高梯度C波段光阴极电子枪升级的设计与优化的方法.用ASTRA程序,对电子枪内不同电场强度对束流动力学的影响进行了模拟.详细分析了发射度补偿原理,对螺线管的主副螺线圈电流比进行优化,并研究了初始束团分布对发射度的影响.模拟结果表明:采用优化的电场强度、螺线管的主副螺线圈电流比与初始束团分布,电子枪输出束团的发射度有显著改善,满足FEL光源对于电子枪低发射度的要求.