双模式超导型光阴极注入器主体结构

摘要

本发明涉及双模式超导型光阴极注入器主体结构，属于加速器技术领域，该结构主要包括：低频率TEM模的QWR超导腔与高频率TM模的高β椭球形超导腔组成的双模式双频超导腔，QWR腔与高β椭球形腔通过一段束管相连；QWR腔为低能电子束引出腔，高β腔为电子束的聚束增能腔，两种腔的频率是倍频、同步关系。本发明为注入器提供的电子束流具有超短脉冲、超低发射度、高平均流强的特点。

说明书

技术领域

本发明属于加速器技术领域，特别涉及一种采用射频超导技术的电子枪的主体结构设计。

背景技术

为电子加速器提供电子束的电子枪是加速器领域的一项重要的关键技术。多年来研发的结果，电子加速器的电子枪主要有两大类，既直流型电子枪和射频电子枪。上世纪80年代以来，由于高科技领域中的自由电子激光装置、强流直线电子加速器、ERL光源等等先进科学装置对电子束的品质提出了很高的要求，传统的热阴极电子枪不能满足要求，由此出现了激光驱动光阴极直流电子枪和激光驱动光阴极射频电子枪。这两种电子枪可以提供具有低发射度、低能散度，超短脉宽的电子束。在此基础上，利用高能加速器和扭摆器等装置获得从红外波段到X射线的自由电子激光。

随着应用科学研究的发展，进一步对电子束源提出了高平均流强的要求，如：新一代辐射光源(ERL光源)提出电子枪需向高能加速器提供平均流强在100毫安左右，且要保证高品质的电子束流，使新一代光源产生的辐射光能达到生物科学、材料科学所需要的超短脉冲、超高亮度、高重复频率的需求。这对电子枪的设计与研制是一项新的挑战。从目前发展的技术上看，采用射频超导技极术的电子枪是解决高平均流强要求的有效途径之

自上世纪70年代以来，射频超导技术获得了极有成效的发展，目前采用射频超导技术的加速器已成为加速器领域的主流技术之一。在此基础上，各国已发展了多种类型的基于射频超导技术的激光驱动光阴极电子枪。其中有代表性的有三种，一是德国FZR国家实验室的3.5cell(cell：单元，3.5cell表示3个半单元)超导型注入器(电子枪)，二是美国BNL国家实验室的0.5cell超导型注入器。第三种是DC-SC超导型光阴注入器。这种将直流电子枪直接与超导加速腔结合的注入器是北京大学物理学院赵夔教授提出的原理性设想(见参考文献：Nucl.Instr.And Meth.A475(2001)，p.564)。此设想经过1.5cell超导腔注入器样机的的研制与调试，终于制成以3.5cell超导腔为核心的实用型超导光阴极注入器。注入器主体结构(指不包括注入器的恒温器及真空机组等配件的核心部件)是决定注入器性能的关键部件。该超导光阴极注入器的主体结构如图1所示，由直流枪与3.5cell超导腔组合成电子枪的主体结构的核心部件，其中，101是引入100kV高压的高压陶瓷绝缘柱，102是光阴极及其支撑部件，它是直流电子枪的阴极，100kV负高压与其相连，激光作用在光阴极上，产生的电子束被高压引出，经100kV加速，入射至3.5cell超导腔，103是直流电子枪的加速间隙，它位于阴极与阳极之间，阳极是3.5cell腔底部法兰平面，处于地电位，104是3.5cell超导腔，用纯铌板料制造，在低温超导时可提供极高的加速场强，使直流枪提供的低能电子束(低于100keV)进入超导腔获得增能加速，增能后的电子束能量可以达到5MeV。105是超导腔的加强支撑环，确保超导腔的工作稳定性。

该超导光阴极注入器成功地解决了阴极对超导腔污染的问题，采用超快激光驱动，可以获得超短电子束脉冲，从而获得高亮度和低发射度束流。由于采用了直流电子枪的方案，驱动激光可以是高重复频率的，因此该电子枪具备提供高平均流强的能力。通过直流枪引出结构的优化，有效的抑制了空间电荷效应对束团发射度的影响。束流动力学研究表明，该注入器在低发射度的要求下可以加速300pC的束流脉冲，若采用的激光器的输出重复频率为81.25MHz，由此可以达到峰值流强为50A，平均流强约24mA的先进水平。DC-SC超导光阴极注入器现已在国际上跻身高平均流强注入器行列。

上述DC-SC光阴极注入器直流枪部分的引出高压的大小直接影响电子束的发射度，由于装置的限制，目前直流高压只能到100kV，由此得到的最小束流发射度大于1.5mm mrad，与目前国际上最好的结果有一定差距。

从理论分析及目前国际上建设XFEL装置的经验来看，电子束品质特别是发射度的优劣直接决定着装置的规模和建设费用。如Stanford大学直线加速中心(SLAC)的LCLS(Linac Coherent Light Source)电子束发射度由1.2mm mrad降至0.2mm mrad，由此使得的硬X射线的扭摆器有效长度由112米降至50米，极大的降低了装置的投入费用。此外，降低电子束发射度，还可以降低对电子束的能量要求，进而使加速器的规模得到有效的降低，如果使用超导加速器，不但可以大幅度降低加速器造价，而且还减少了液氦机组的规模，这将节省一笔极大的费用。第四代光源(X射线自由电子激光，简称XFEL)的投入均在数十亿元RMB，如能将发射度降低一个量级，将会使总体投入费用成倍的下降。因此，研制超低发射度的电子束注入器具有极重要的意义。

在建的X射线自由电子激光装置所使用的电子束团重复频率都很低，如LCLS的XFEL装置的电子束团重复频率为120Hz，日本SCSS的XFEL装置的电子束团重复频率为60Hz。这种低重复频率极大地限制了XFEL装置所能提供的用户站的数目。不仅如此，由于加速器提供的电子束团重复频率低，利用它产生的XFEL的平均功率很低，这使得用户需要花更长的时间来采集数据，从而大幅延长其研究工作的周期，甚至导致其实验难以顺利完成。如果电子束团的重复频率达到MHz量级以上，其效果是可分时驱动多条XFEL及相干辐射光束线，并大幅提高XFEL的平均功率。由此，导出了对注入器的另一个要求，即是要能提供高平均流强(亦即高重复频率的电子束团)的能力。

发明内容

本发明的目的是为提高已有DC-SC光阴极注入器的性能，提出一种双模式超导型光阴极注入器主体结构，该主体结构的核心部件是由TEM模的低β的QWR(1/4波长谐振腔)超导腔与TM模的高β椭球形超导腔组成的双模式双频超导腔。本发明为注入器提供的电子束流具有超短脉冲、超低发射度、高平均流强的特点。

本发明提出的双模式超导型光阴极注入器主体结构，其特征在于，该结构主要包括：低频率TEM模的QWR超导腔与高频率TM模的高β椭球形超导腔组成的双模式双频超导腔，QWR腔与高β椭球形腔通过一段束管相连；低β的QWR腔为低能电子束引出腔，高β椭球形腔为电子束的聚束增能腔，两种腔的频率是倍频、同步关系。

本发明的特点及有益效果：

本发明针对超低发射度及高平均流强两项要求，在DC-SC光阴极注入器的基础上，提出并设计了一种新型双模式超导光阴极注入器主体结构。本发明的主要区别特征是用QWR谐振腔结构替换了DC-SC注入器的直流电子枪，利用QWR腔谐振时内导体端部与外腔体短路面间的瞬间谐振高压作为电子束团的引出高压，QWR腔提供的引出高压可以高达500kV-1MV，比直流高压方法易于获得瞬间高压，若QWR腔频率为325MHz，谐振高压的近似平顶部分宽约100微秒，而驱动激光脉冲宽度仅为8皮秒，“皮秒量级的激光脉冲和电子束团”与微秒量级的谐振高压相比较，后者对前者讲类似于准直流高压，可以保证获得优异的电子束品质。比较谐振腔与直流电子枪，在获取同样高压条件下，谐振腔结构比直流高压结构整体规模小、易于操作、投入低，省去了三只高压陶瓷绝缘柱。双模式超导型光阴极注入器由于不使用直流高压，在光阴极表面引出电子束团的谐振场强可以大幅度提高，从根本上提高了引出的电子束团的品质，从而可以得到超低发射度、高重复频率的电子束流。

本发明的QWR腔可以选用两种微波馈入方式，一种是用QWR腔的中心导体柱部分放置同轴型微波功率耦合器，另一种是微波功率由QWR腔的侧壁馈入，以适应微波功率匹配。

由本发明的注入器提供的电子束流具有超短脉冲、超低发射度、高平均流强的特色，其性能优于目前已有的用于加速器的直流型电子枪和射频型电子枪。

附图说明

图1为已有的DC-SC光阴极注入器的由直流枪与超导腔组合而成的主体结构示意图；

图2为本发明的双模式超导型光阴极注入器的主体结构示意图。

具体实施方式

本发明提出的双模式超导型光阴极注入器结合附图及实施例详细说明如下：

本发明的核心部件是由低频率TEM模的QWR(1/4波长谐振腔)超导腔与高频率TM模的高β椭球形超导腔组成的双模式双频超导腔(此处β表征被加速的粒子速度，低β一般指粒子速度远低于或低于光速，高β指粒子速度接近光速。以下简称双模式超导腔)，QWR腔与高β椭球形腔通过一段束管相连；QWR腔为低能电子束引出腔，高β腔为电子束的聚束增能腔，两种腔的频率是倍频、同步关系。

本发明的双模式超导型光阴极注入器主体结构如图2所示，本发明只涉及注入器的主体结构，与注入器相关的恒温器及真空机组等配件与已有技术相同，不在图2中显示。该主体结构包括由QWR超导腔201、同轴型微波功率电耦合器的内导体202及微波功率磁耦合器内导体209(工作时可以任选其一)、QWR超导腔提取探针2031、高β椭球形超导腔提取探针2032光阴极204、真空接口205、2单元或3单元(2-cell或3-cell)椭球形高β超导腔206、1.3GHz腔的主耦合器接口207、束管式高阶模衰减器208及外罩200；其连接关系为：QWR超导腔201输出端口与高β超导腔206的输入端口通过一段束管210相连通，同轴型微波功率耦合器的内导体与QWR超导腔同轴，且同轴型微波功率耦合器的内导体202的输出端口与(插入QWR超导腔201的中心圆柱管中)QWR超导腔201相连通，同轴型微波功率电耦合器的内导体202的输入端口与真空接口205相连；高β椭球形超导腔206的输出端口经由主耦合器接口207与束管式高阶模衰减器208的输入端口相连通；外罩200设置在QWR超导腔201和高β椭球形超导腔206外，使其内的各器件处于真空密封状态；QWR超导腔提取探针2031设置在外壁上且与QWR超导腔201内相通；光阴极204设置在同轴型微波功率耦合器的输出端口上，微波功率磁耦合器内导体管209设置在QWR超导腔201的侧壁上并与QWR超导腔201连通；高β椭球形超导腔提取探针2032设置在束管上与主耦合器接口207位置相对。

本发明的工作过程为：外部驱动脉冲激光自束管式高阶模衰减器208轴向入射(图2右方)，采用短波长266nm紫外激光，脉宽6-8皮秒，重复频率81.25MHz，平均功率瓦量级。激光穿过2-cell高β椭球形超导腔206和QWR超导腔201之间的小束管210，入射至光阴极204上，光阴极受激产生出电子束团，束团脉冲长度对应激光脉冲宽度，约6-8皮秒左右，此时QWR腔内已由主耦合器202(或209)激励起高频电磁场，在等时同步电路的控制下，超短(6-8皮秒)脉冲电子束团自阴极射出，立即进入高频谐振电场的峰值场(相当于准直流场)，在极高的电场下被引出、并加速，在进入小束管210前，被加速的电子束团的能量已达到500kV以上，进入高β超导腔后，这种低能电子束团继续被高β椭球形超导腔内由主耦合器207激励的高频电场加速、增能、聚束，最后在束管式高阶模衰减器208出口获得具有低发射度、超短脉冲长度(小于6皮秒)、能量达到5MeV的电子束流。

本发明主体结构的各器件的实施例结构及功能分别说明如下：

本实施例的QWR超导腔201(1/4波长谐振腔)为一同轴型谐振腔，它是由一段同轴转输线形成的具有中心导体柱的谐振腔；在选定频率(波长)下，截取一段四分之一波长的同轴线，同轴线的外壁内直径与中心导体柱的外径是由选定频率确定的，外壁与中心导体柱间无介质填充，这段同轴线两端被金属端板短路封闭，其内一端的中心导体柱与封闭金属端板短路，另一端中心导体与密封端板开路，由此形成一个谐振腔。中心导体柱根部外周设置有加强筋；腔体谐振频率为325MHz(或可以选取1.3GHz的各个分频，如260MHz、325MHz、650MHz等)，由高纯铌板焊接成形，整体用液氦制冷。由主耦合器馈入微波功率，在腔内激励起谐振高频电场，腔体尺寸依选取频率设计确定，工作温度可以为4.2K。

本实施例的QWR超导腔的中心导体柱设计为中空结构，利用中空结构特点，可以设计成为同轴型功率耦合器，这种同轴型耦合器的内导体是非超导的，此内导体与可伸缩长杆相连，可以微调长度，以适应微波功率匹配。QWR腔在高频场激励下，会在开路端形成强场区域，此强场可自光阴极引出并加速电子束。

低β的QWR腔工作模式为TEM模，频率为在250～650MHz左右。

同轴型微波功率耦合器是QWR腔馈入功率的途径之一，其内导体202插入到QWR腔的中心导体柱内，同轴型微波功率耦合器的内导体端部置有光阴极；QWR腔的中心导体柱内壁与内导体202组成特征阻抗50欧姆的同轴线型功率耦合器。同轴功率耦合器的内导体一般采用良导体，非超导的。

本发明另一种选择方法是微波功率由QWR腔的侧壁的微波功率磁耦合器内导体管209馈入。209的功能与202相同，但有一优点，即调节比较方便。

本实施例的高β超导椭球形腔适用于高平均流强运行的需求。在相同加速梯度下热损最小，选用2-cell或3-cell椭球形超导腔(图中示出2-cell椭球形超导腔)，以适应微波功率耦合器的工作阈值，两个椭球之间设置有加强环。

本实施例的2-cell高β超导腔206为谐振频率1.3GHz的谐振腔，由高纯铌板制成，工作温度低于2K，腔体尺寸依选取频率确定。高β椭球形超导腔作为注入器聚束增能腔，工作的模式为TM模，频率为1.3GHz

本实施例中连接QWR腔与高β椭球形腔的一段束管的长度与口径设计需遵循两个条件，一是考虑QWR腔与高β腔间微波隔离，因此需要连接束管对高频率的1.3GHz有效截止，二是要求束管口径不能太小，以免影响束流传输品质。在考虑这两种要求下，优化选择连接束管的尺寸。

本实施例的提取探针2031、2032为一同轴型陶瓷密封部件，其中心导体为探针，用来监测腔内电磁场的幅度、相位及频率，采用常规产品。

本实施例的光阴极204为薄膜型半导体碲化铯阴极，其基底是钼片，基底与同轴功率耦合器内导体顶端相连。紫外脉冲激光束入射至阴极上，产生与腔内高频电磁场时间相关的电子束脉冲流，光阴极由传送装置固定在QWR腔的内导体中空部分的顶端，这样易于调节微波馈入的匹配问题。

本实施例的真空接口205为常规离子泵接口。

本实施例的1.3GHz腔的主耦合器接口207为同轴型耦合器，由内外导体组成，微波功率由此馈入超导腔内，采用常规产品。

本实施例的束管式高阶模衰减器208的功能是衰减腔内感应生成的高次模式的电磁场，可选用束管式铁氧体衰减器，以适应高平均流强运行模式。

本实施例的外罩为圆柱壳体，具有很好的真空密封性能，工作时内充液氦使QWR超导腔和高β椭球形超导腔206处于超低温状态；QWR超导腔和高β椭球形超导腔206以及图2中的各器件处于超高真空状态；外罩内在QWR超导腔和高β椭球形超导腔之间的束管处设置有加强支撑的带通孔的隔板。外罩的材料为金属钛。