基于FEL高功率緊湊型THz源電子束裝置相關(guān)技術(shù)研究.pdf

1、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室與華中科技大學(xué)聯(lián)合研制基于FEL高功率緊湊型THz源，其中國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室研制緊湊型電子束產(chǎn)生裝置為THz源提供高品質(zhì)電子束流。該電子束產(chǎn)生裝置主要由強(qiáng)流二極槍、外注入式熱陰極獨(dú)立調(diào)諧(ETC-ITC)微波電子槍、加速管及聚焦系統(tǒng)、輸運(yùn)線及束流測(cè)量系統(tǒng)等組成。本論文主要包含外注入式熱陰極獨(dú)立調(diào)諧微波電子槍的研制、準(zhǔn)S2E束流仿真、束流調(diào)試及相關(guān)束流參數(shù)測(cè)量。同時(shí)本論文包含基于遺傳算法雙周期駐波加速結(jié)構(gòu)

2、的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　ETC-ITC微波電子槍采用雙駐波腔結(jié)構(gòu)，其主要特點(diǎn)是電子源由外部二極槍注入，避免反轟效應(yīng);兩個(gè)腔體之間無(wú)耦合，微波功率分別獨(dú)立饋入。通過(guò)調(diào)節(jié)兩腔的饋入功率和相位，該槍能產(chǎn)生高品質(zhì)的電子束流。此外未采用補(bǔ)償線圈和α磁鐵，結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單。根據(jù)束流動(dòng)力學(xué)計(jì)算，選取一組理想的腔體結(jié)構(gòu)參數(shù)和腔體及其耦合器尺寸，經(jīng)精密加工、微波參數(shù)及尺寸調(diào)配，完成該槍的研制。為了測(cè)量沿軸線電場(chǎng)分布，搭建一套基于National Instru

3、ment Labview軟件平臺(tái)自主開(kāi)發(fā)的自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)，同時(shí)加工一標(biāo)準(zhǔn)圓柱腔體用于驗(yàn)證該測(cè)量系統(tǒng)。在腔體加工調(diào)配期間，依據(jù)微波測(cè)量結(jié)果，修正結(jié)構(gòu)參數(shù)，逐步逼近設(shè)計(jì)結(jié)果。腔體的測(cè)量結(jié)果與設(shè)計(jì)值相符合一致。
　　準(zhǔn)S2E束流動(dòng)力學(xué)分段仿真方案，電子源強(qiáng)流二極槍采用CST PARTICLESTUDIO(@)(CST PS)仿真;外注入式獨(dú)立調(diào)諧微波電子槍和加速管及聚焦系統(tǒng)首先采用單電子模型研究，然后采用宏粒子模型ASTRA程序研究束流

4、特性，其中加速管束流負(fù)載效應(yīng)采用自編程序和ASTRA程序聯(lián)合仿真;輸運(yùn)線仿真采用MADX和ELEGANT仿真。由于采用不同程序?qū)ψ⑷肫鞑煌考穆?lián)合仿真，各程序之間的數(shù)據(jù)傳遞尤為重要，因此需要根據(jù)程序輸入輸出參數(shù)編寫程序接口。仿真計(jì)算結(jié)果，加速管出口束流能量為12.3 MeV、能散為1‰、橫向發(fā)射度約為14.3πmm· mrad，束團(tuán)電荷量約為210 pC。
　　THz源電子束產(chǎn)生裝置安裝完成后，經(jīng)過(guò)二極槍激活，波導(dǎo)系統(tǒng)、ETC-

5、ITC以及加速管老煉，然后進(jìn)行束流調(diào)試和測(cè)量。調(diào)試時(shí)，研究二極槍工作特性，測(cè)量二極槍不同燈絲電流及高壓對(duì)應(yīng)陰極發(fā)射電流和ETC-ITC引出束流流強(qiáng)，觀察Flagl熒光靶、分析磁鐵彎轉(zhuǎn)末端熒光靶、直線末端熒光靶上的束流光斑，同時(shí)分別測(cè)量了在TOR1和TOR2上ETC-ITC出口和加速管末端宏脈沖束流流強(qiáng)。通過(guò)調(diào)節(jié)ETC-ITC的2＃腔功率及相位，加速管功率和相位，測(cè)量束流能量、能散、束團(tuán)長(zhǎng)度、橫向發(fā)射度等。在與設(shè)計(jì)值近似條件下出束，測(cè)量參

6、數(shù)為:束流中心能量為12.76 MeV、能散為3.2‰、束團(tuán)長(zhǎng)度為3.7 ps、宏脈沖流強(qiáng)為0.72A。目前初步調(diào)試參數(shù)與仿真結(jié)果基本吻合，已在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先水平，但仍需進(jìn)一步調(diào)試。由于束流偏離四極鐵中心位置，需要通過(guò)校正鐵調(diào)試束流軌道，由于條件及時(shí)間限制，發(fā)射度測(cè)量系統(tǒng)在改進(jìn)之中，其測(cè)試結(jié)果有待今后進(jìn)行。
　　經(jīng)過(guò)大量文獻(xiàn)調(diào)研，我們是國(guó)際首次將遺傳算法替代傳統(tǒng)方法優(yōu)化雙周期駐波加速結(jié)構(gòu)。均勻加速結(jié)構(gòu)分路阻抗為114MΩ/m，比傳統(tǒng)