射频腔光阴极注入器发射度研究

在激光驱动的光阴极注入器产生的高亮度电子束中 ,空间电荷引起发射度的增长。分析了射频腔中引起发射度增长的因素以及解决这个问题的办法——在射频腔的阴极附近加一个螺旋聚焦磁场进行补偿 ,也给出了补偿后电子束的发射度并和数值模拟结果进行比较 ,实验测试表明 ,所得结果比较符合。

束流均方根发射度和边缘发射度

本文从n维相空间超椭球界面方程的一般形式出发,导出了联系均方根发射度和边缘发射度等参量之间的关系式,并据此就多种情况作了实例计算。

一台多功能发射度测量仪

测量束流发射度的方法很多,我们主要参照单缝移动、探针扫描、在函数仪上画相图和电偏转在示波器上连续显示相图的方法,设计了一台机械移动和电偏转相结合的发射度测量仪.

采用束斑极小化的双屏法测量发射度的计算

双屏法是一种常用的标准的几何发射度测量方法，它需要束流在其中一个靶屏上成腰这一特定条件。在把束腰调到靶屏上非常困难的情况下，可通过调节前面的四极磁铁使靶屏上的束斑尽可能的小（束斑极小化），以此代替“成腰”条件，并推导出与“束斑极小化”相对应的双屏法测量发射度计算公式。

束流发射度对太赫兹微电真空折叠波导行波管性能的影响

采用理论分析与数值模拟相结合的方法,分别对140,220和345GHz折叠波导行波管中的束流发射度的影响因素及其对直流导通率的影响进行了分析,总结了发射度随频率、结构参数和电子束参数的变化规律。研究发现,在太赫兹频段束流发射度直接决定着聚焦磁场的选取设计,是表征太赫兹频段束流品质的一个重要参量。

强流离子束发射度仪研制

介绍了一台基于多缝单丝法的强流离子束发射度仪,讨论了缝丝法的测量原理及该发射度仪的系统构成和设计要点,给出了利用该发射度仪对中国原子能科学研究院ECR离子源发射度的测量结果。对于强流离子束,只能采用短缝对束流进行不完全采样以实现充分的冷却。由此引起的系统误差,可以通过模拟计算估计其修正值。

强流脉冲离子束发射度的测量

介绍了一台基于多缝单丝法的强流离子束发射度仪,讨论了发射度仪硬件的系统构成和设计要点,并对测量计算软件进行了介绍。利用该发射度仪对北京大学重离子物理研究所电子回旋共振(Electron cyclotron resonance,ECR)离子源引出的强流脉冲质子束的发射度进行了测量,并对测量数据进行了分析。

电扫描型单缝单丝强流离子束发射度测量仪

介绍了一台基于电偏转扫描方法的强流离子束发射度仪,讨论了发射度仪硬件的系统构成和设计要点,该发射度仪采用阶梯型电压对通过前缝的束流进行扫描来获得束流散角信息。并对测量计算软件和数据处理方法进行了介绍,采用了先扣除本底,再设置阈值的方法进行数据处理。处理后的数据利用程序可获得均方根和边界发射度、束斑大小、最大正负散角以及发射度相图。利用该发射度仪对ECR离子源引出的强流质子束的发射度进行了测量,并对测量数据进行了分析。对于引出电压为50 kV、脉冲重复频率为166 Hz、脉冲宽度为1 ms、平均束流强度为4 mA的质子脉冲束,其归一化均方根发射度为0.27πmm.mrad。

螺线管透镜像差导致的束流发射度增长研究

螺线管透镜常作为低能束流的聚焦元件,不可避免地具有像差,导致束流发射度增长,降低束流传输效率。本文通过理论推导和计算机模拟,给出了不同束流包络、不同磁感应强度和不同磁场形状的情况下束流经过实际透镜后的发射度增长。结果表明,发射度增长主要与束流包络和磁感应强度有关。但在一定范围内,优化磁场形状也能起到控制发射度增长的作用。

蒙特卡罗模拟分析电子束发射度对照射量空间分布影响

加速器靶前正前方1m处的照射量是衡量加速器光源辐射能力的重要物理参量。电子束轰击高原子序数靶产生的X射线空间分布具有很强的前冲性,照射量空间分布与电子束的发射度密切相关。采用高斯函数对不同电子束发射度条件下入射电子的空间分布和角度分布进行建模。应用蒙特卡罗方法对电子束打靶的轫致辐射过程进行模拟,分析电子束发射度对照射量的影响。同时还对整靶结构和叠靶结构下的轫致辐射光源照射量进行计算比较。结果表明,电子束的发散角是影响轫致辐射光源照射量的主要因素。与采用整靶结构相比,采用叠靶结构所获得的照射量空间分布基本一致,在正前方小角度范围内(0~4°)的照射量有2%~3%的降低。

热阴极逸出功非均匀性对本征发射度的影响

热阴极广泛应用于真空电子器件、加速器、自由电子激光等各类束流装置,热阴极表面状态非均匀性对束流本征发射度有着显著的影响.本文推导了非均匀发射阴极的均方根本征发射度理论形式,并分析了逸出功非均匀性及其统计效应对本征发射度的影响.针对逸出功径向和一维余弦分布模型,计算了均方根发射度与逸出功非均匀性关系的理论数值解;基于有限差分法粒子仿真技术,开发了专用于阴极仿真的程序YY-PICMC,并验证了理论形式的正确性;针对逸出功二维余弦分布模型进行了理论和仿真分析,结果表明逸出功分布空间频数对均方根发射度涨落有显著影响,当空间频数趋于无限大时,发射度增长系数趋于1,即逸出功均匀阴极的情形;最后,分析了最接近真实阴极表面状态的二维逸出功随机分布模型,仿真结果表明随着空间频数增加,发射度增长系数统计方差逐渐减小,符合余弦模型结果的预期.本文建立的理论形式和仿真方法可以用于评估各类阴极表面逸出功空间非均匀性特征对束流本征发射度的影响程度.

用修正三梯度法测量束流发射度

介绍了修正三梯度法的原理和利用该方法测量发射度的实验装置。编写了基于束包络方程的数值拟合程序,并进行了模拟计算。用修正三梯度法对3.5MeV注入器出口处脉冲电子束的发射度做了时间分辨的测量。结果表明,当空间电荷力不可忽略时,该注入器输出的电子束脉冲期间中间部分束的发射度为1040π·mm·mrad。

束流发射度对质子照相色差模糊的影响

分析了质子照相过程中发射度的增长过程。开展了照相系统设计,针对设计的照相系统,采用理论分析和蒙特卡罗计算的方法,具体分析了各个发射度增长因素的影响程度。分析结果表明:对于高能质子照相,加速器的引出发射度对系统的色差模糊的影响可以忽略,但对于中能质子照相,加速器的引出发射度不可忽略。可通过提高加速器引出系统的聚焦能力和减小散束器的厚度来减小发射度影响。

高压直流连续波光阴极注入器中发射度补偿

空间电荷效应是引起发射度增长的主要因素,特别是在高压直流连续波光阴极注入器中。分析了高压直流连续波光阴极注入器中线性空间电荷力的特点及其对电子束横向发射度的影响,并从理论上解析地研究了螺线管发射度补偿的原理及特点。最后利用Parmela程序对中国工程物理研究院高压直流连续波光阴极注入器的发射度补偿作了模拟计算。结果表明,束团电荷量为80pC的电子束在350keV高压直流电子枪出口处的横向归一化发射度为5.14mm.mrad,经过螺线管补偿后,其最小横向发射度变为1.27mm.mrad。电子束的发射度得到了很好的补偿。

胡椒孔法在强流脉冲离子束中的发射度测量

真空弧离子源的引出束流具有低能、强流等特点,当离子源工作在单脉冲模式时,被广泛采用的缝-杯式和Alison式发射度测量方法不再适用。采用基于成像板的胡椒孔法测量了真空弧离子源的发射度。初步研制了胡椒孔法发射度测量装置,利用该装置测量了引出电压为64 kV时脉冲束流的发射度和发射相图。在x方向和y方向,测得归一化均方根发射度分别为6.41,4.61π.mm.mrad。测量结果表明该真空弧离子源在64 kV时的归一化发射度远大于其他类型的离子源的发射度。

高压直流连续波光阴极注入器中电子束流发射度研究

高平均功率自由电子激光研究中,电子束质量是关键。针对高平均功率自由电子激光目标参数,提出了直流高压连续波光阴极注入器,给出了注入器的束流动力学过程。为了降低输出束流横向发射度,采用特殊结构设计的静电加速腔,加速电压1MV,最大加速梯度10MV/m。用PARMELA程序进行了粒子动力学模拟,电子束束团电荷为0.5nC,束团长度10ps时,注入器输出束流归一化发射度均方根值为5.8mm·mrad。

热阴极径向温度非均匀性对本征发射度的影响

从热发射理论出发,推导了非均匀发射阴极的均方根本征发射度的一般计算形式。针对一种最常见的温度径向分布近似模型,给出了均方根发射度随温度非均匀性变化趋势的理论数值解。基于有限差分法粒子仿真技术统计了热阴极的本征发射度,仿真结果与理论解一致,验证了非均匀发射热阴极本征均方根发射度一般形式的正确性。结果表明,径向温度非均匀性引起均方根发射度显著变化,非均匀系数为10%时引起均方根发射度下降约15%。本文建立的理论形式和仿真方法可以有效评估束流品质控制目标和工程热设计之间的依赖关系,以指导高效费比的工程设计。

束流发射度和亮度与束流密度分布的关系

束流发射度和束流亮度是表征加速器束流品质的主要指标。理论和实验研究都已发现，它们与束流空间电荷的非均匀分布有密切关系。针对加速器中几种常用的束流密度相空间分布形式，根据束流相空间理论，推得了它们在四维和二维径迹空间中的投影密度，并给出了束流发射度和亮度与束流密度分布的关系式，为加速器束流测量和束流诊断提供理论依据。

强流低发射度光阴极微波电子枪的优化设计

为了实现高增益 FEL,对其关键部件光阴极微波电子枪进行了优化设计 ,还就发射度补偿技术进行了较详细的考虑 ,并用 PARMELA程序进行了粒子动力学的模拟 ,初步给出了为降低初始电子束团横向发射度的优化参数。

脉冲电子束发射度在线测量

本文介绍了一台用于脉冲电子束发射度在线测量装置的设计与调试,叙述了在线测试技术的物理基础及数据的自动获取与处理过程,在EPA-74脉冲加速器上用于无引导场FEL实验中束流发射度的测量,得到0.3～0.7mm rad的非归一化发射度。本装置也将用于SG-1FEL装置的束流发射度的测量。