近年来，由于化学、物理、生物等学科的前沿研究以及各国政府和科学界的大力支持，第四代光源开始蓬勃发展起来。基于自由电子激光(Free Electron Laser, FEL)第四代高亮度光源对束流品质的要求极为苛刻，根据FEL工作原理可知，光源品质本质上依赖于电子枪产生束流的性能，因此成功研制高性能电子枪是产生高亮度光源的关键。光阴极电子枪能够产生高电荷量(约1 nC)、低发射度(<1πmm∙mrad)、短束团(ps量级)的束流。国际上，美国LCLS (Linac Coherent Light Source)[1]、欧洲XFEL (X-Ray Free-Electron Laser)[2]、英国4 GLS (4th Generation Light Source)[3]、美国LUX (Linac-based Ultrafast X-ray facility)[4]、韩国PAL-XFEL (Pohang Accelerator Laboratory X-Ray Free-Electron Laser)[5]和德国BESSY (Berl in Electron Storage Ring Society for Synchrotron Radiation)[6]等四代光源均采用光阴极微波电子枪作为电子束源。由于光阴极电子枪能够产生高品质束流，除上述第四代光源外，还在其他装置上得到应用，如脉冲辐射化学装置、汤姆逊散射超快X射线源、尾场加速、太赫兹源、超短脉冲电子衍射和超短脉冲电子显微镜等[7-11]。国内对高品质电子束的需求越来越多，如清华大学与中国工程物理研究院筹建汤姆逊散射光源[12]、中国科学院上海应用物理研究所筹建深紫外自由电子激光和X射线自由电子激光[13]、中国科学院高能物理研究所与清华大学筹备北京X射线自由电子激光实验装置(Beijing XFEL Test Facility, BTF)、中国科学院大连化学物理研究所与中国科学院上海应用物理研究所共建大连极紫外相干光源均需要产生高品质的电子束，对电子束品质的要求接近国外第四代光源，上述项目均采用常温S波段光阴极微波电子枪。中国科学技术大学同华中科技大学合作基于FEL的THz源的关键技术攻关研究，拟采用L波段光阴极微波电子枪作为电子束源。
本文对FEL-THz源关键部件光阴极微波电子枪的研制做预研工作，主要包含以下三部分内容：1) L波段光阴极微波电子枪的物理设计；2) 发射度补偿的优化；3) 初始束流参数的优化。
1 光阴极微波电子枪物理设计 1.1 光阴极微波电子枪光阴极微波电子枪是一种能够产生高品质束流的电子束源，其工作原理是将一束激光照射到微波腔前壁中心的光阴极材料上产生电子，然后高梯度峰值微波电场将电子束在较短距离内加速至相对论性能量，从而产生高亮度、低发射度、短脉冲的高品质束流。该类型电子枪主要是由光阴极、微波腔、功率源、激光系统和同步系统等组成。其产生高品质电子束主要是通过控制驱动激光脉冲宽度、激光束束半径以及与微波功率、相位等，此外需选择高梯度微波电场以克服低能电子束的空间电荷效应。
本文光阴极微波电子枪主要由光阴极、微波腔、补偿线圈等组成，如图 1所示。光阴极采用金属阴极Cu，其具有制造维护简单、稳定性好、寿命长、工作场强较高、抗污染能力强等优点。光阴极置于首腔的腔壁上，激光沿轴线以接近垂直照射的表面。由图 1可知，微波腔是L波段1.3 GHz频率旋转对称结构的1.6个腔，工作模式为π模式。微波腔的功率耦合与其他微波腔不同，是采用同轴耦合，它有两方面的好处：1) 避免破坏电磁场的对称性，防止偶极场影响束流品质；2) 增大补偿线圈安装空间，使得发射度补偿线圈放置在最优位置。副线圈用于保证在光阴极表面处磁场为零，抑制阴极表面磁场造成发射度的增长，主线圈主要用于线性空间电荷效应引起发射度增长的补偿，下面将详细分析。
|
图 1 光阴极微波电子枪组成 Figure 1 Layout of photocathode microwave electron gun. |
在高亮度常温光阴极电子枪的腔体结构设计中，首腔腔体结构的设计至关重要，其结构设计的物理要求：1) 光阴极处的峰值电场场强应尽可能高，当电子离开阴极表面后，能在短距离内加速至相对论能量，以减少空间电荷效应引起束流发射度的增长；2) 腔体中径向电场Er与r的线性区域足够大，减少RF场对束流发射度的影响；3) 根据分路阻抗定义可知，分路阻抗越大，微波功率在腔壁的欧姆损耗越小，微波功率转化为束流功率的效率越高；4) 用于两个腔间耦合的阑片孔，在权衡分路阻抗、功率大小等选择后要尽可能的大，一方面提高场的稳定性，一方面抑制尾场效应对束流品质的影响；5) 增大整腔的出口孔半径，降低径向电场强度，减小出口处场对束流的散焦作用。上述物理要求之间相互矛盾、相互制约，在腔体结构设计中不能完全满足。因此，一般只能考虑各种因素的折中。
利用Superfish程序对腔体的各尺寸仔细调节，进行优化设计。腔体结构中，各部分尺寸对于微波特性参数的影响不同。通过调整各部分尺寸，腔体优化尺寸结构，如图 2所示。图 2中阴影部分是腔内部结构。
|
图 2 腔体优化尺寸结构 Figure 2 Optimal geometry structure of cavity. |
经过设计优化，0模式和π模式的频率差约4.93MHz，0模式干扰较小，微波腔体参数见表 1[14]。
|
表 1 两种模式下的相关微波参数 Table 1 Microwave parameters of two modes. |
仿真计算腔体内电场分布和沿中心轴线电场分布曲线，如图 3、4所示。
|
图 3 腔体内电场分布 Figure 3 Electric distribution of cavity. |
|
图 4 沿中心轴线电场分布曲线 Figure 4 Electric distribution of cavity along axis. |
在光阴极微波电子枪的设计中，束流横向发射度对束流的亮度非常重要，降低横向发射度是提高束流品质的一种直接有效的方法。为此我们分析了影响横向发射度的各种因素，同时采取相应的措施降低或避免各因素对横向发射度的影响。
2.1 影响束流发射度的因素影响发射度增长的原因非常复杂，主要有下述6种因素影响束流归一化均方根发射度εn, rms[15]：
| ${\varepsilon _{n,rms}} \ge \sqrt {\varepsilon _{SC}^2 + \varepsilon _{RF}^2 + \varepsilon _{mp}^2 + \varepsilon _{{B_z}}^2 + \varepsilon _0^2 + \varepsilon _T^2} $ | (1) |
式中：eSC是空间电荷发射度；eRF是RF场发射度；emp是非对称多级场发射度；是光阴极表面磁场发射度；e0是热发射度；eT是光阴极物理温度发射度。
1) 空间电荷发射度eSC
Kim进行了详细的理论分析[16]，Carlsten[17]提出聚焦线圈补偿空间电荷效应发射度的方法，下文将详细讨论。
2) RF场发射度eRF
微波腔内部建立类TM010模式微波场，存在Er和Hθ分量，在出口产生径向散焦力Fr：
| ${F_r} = e{E_r} - e{\mu _0}v{H_\theta }$ | (2) |
即在半腔的出口散焦力由整腔入口处的聚焦力抵消，在整腔的出口散焦力对束流横向发射度产生影响。本文通过增大在整腔出口的半径，减小分量幅值，减小散焦力大小，减小对发射度的影响。
3) 非对称多极场发射度emp
在边耦合结构中，最大加速电场Ez不是在沿中心轴线，而是偏向RF耦合孔一侧。为了避免非对称腔体产生的多极场，本文设计方案采用同轴耦合方式，有利于补偿线圈的位置优化。
4) 光阴极表面磁场发射度
为了补偿空间电荷效应引起的发射度增长，在光阴极枪下游采用发射度补偿线圈抑制发射度增长。通常，该补偿线圈边缘磁场延伸分布在光阴极表面，造成束流横向发射度的增长。为抵消其边缘磁场，抑制发射度增长，在电子枪光阴极上游放置线圈抵消补偿线圈在光阴极表面形成的边缘磁场。
5) 热发射度e0
加速电场会降低光阴极材料逸出功，即Schottky效应。该效应使得发射电子初始动能增大，引起束流发射度的增长。本文优化设计方案，改进光阴极加工工艺，尽可能降低光阴极表面粗糙度，降低热发射度[18-19]。
6) 光阴极工作温度发射度eT
阴极工作温度同样会引起发射度的增长：
| ${\varepsilon _T} = \frac{{{R_0}}}{2}\sqrt {\frac{{{k_{\rm{B}}}T}}{{{m_0}{c^2}}}} $ | (3) |
式中：R0为照射在阴极激光束斑半径；T为阴极工作温度；kB为玻尔兹曼常数；m0为电子静止质量；c为光速。
2.2 空间电荷发射度补偿空间电荷效应是强束流在低能过程中横向发射度增长的重要因素。Kim理论[15]认为空间电荷力可分为线性和非线性两部分，其中线性空间电荷力与纵向位置相关，导致投影发射度的增长，可以通过补偿线圈抑制；非线性空间电荷力是由于束团中电荷密度分布不均匀引起的，导致切片发射度的增长，目前很难加以弥补。本文主要讨论线性空间电荷效应发射度补偿。
由于束团中心和尾部受到的空间电荷力不同，束团在相空间中展开，在合适的位置放置补偿线圈，可以起到聚焦透镜的作用，经过一段漂移距离，电子束相图就会收缩，发射度得到补偿。
本文设计补偿线圈为螺线管结构，采用主线圈和副线圈共同作用方式。主线圈设计要求满足轴线上的磁感应强度要足够大，能够抑制发射度增长。副线圈的作用是抵消主线圈在阴极表面附近的磁场，使得电子束不因轴向磁场的存在而引入发射度增长。补偿线圈的作用与补偿线圈的位置、磁场大小等因素密切相关，通过优化计算磁场分布尤其是纵向磁场分布，得到所需场型分布，如图 5、6所示。可见阴极磁感应强度为零，不会在阴极表面引入额外发射度。
|
图 5 线圈布局 Figure 5 Layout of solenoid. |
|
图 6 补偿线圈磁场沿轴线分布曲线 Figure 6 Magnetic field distribution of compensation solenoid along axis. |
通过优化，采用此种主副线圈设计方式获得上述磁场分布，在图 6中有合磁场最大值Bmax，优化Bmax值，得到不同Bmax下，电子束团横向发射度随着纵轴的变化，如图 7（初始电荷量为200 pC和1nC）所示。由图 7可以看出，在纵向位置3 m处，发射度随Bmax而变化。
|
图 7 不同Bmax下发射度沿束流运动方向的变化 (a) Q = 200 pC，(b) Q = 1 nC Figure 7 Emittance vary with Bmax along beam direction. (a) Q = 200 pC, (b) Q = 1 nC |
图 8显示了在初始电荷量分别为200pC和1 nC时，Z=3 m处发射度随Bmax的变化规律。由图 8可以看出，随Bmax增大，Z=3 m处的发射度先减小后增大。在Q=200 pC及Q=1 nC时，最小发射度分别为0.3732 mm∙mrad和0.9339 mm∙mrad，对应的Bmax为0.214 T和0.216T。做出对应相空间分布，如图 9（束团半径0.3 mm，Q=200 pC）、图 10（束团半径0.4 mm，Q=1 nC）所示。
|
图 8 不同Bmax下Z=3 m处发射度 Figure 8 Emittance of Z=3 m for different Bmax. |
|
图 9
Q=200 pC最小发射度位置处相空间
(a) 最小发射度处的横向相空间，(b) 束团纵向分布，(c) 束团侧视图，(d) 发射度沿纵向的变化
Figure 9
Phase space of minimum emittance (Q=200 pC).
(a) Transverse phase space at the position with minimum emittance, (b) Longitudinal distribution of the bunch, (c) Side view of the bunch, (d) Emittance along the z-axis |
|
图 10
Q=1 nC最小射度位置处相空间
(a) 最小发射度处的横向相空间，(b) 束团纵向分布，(c) 束团侧视图，(d) 发射度沿纵向的变化
Figure 10
Phase space of minimum emittance (Q=1 nC).
(a) Transverse phase space at the position with minimum emittance, (b) Longitudinal distribution of the bunch, (c) Side view of the bunch, (d) Emittance along the z-axis |
本文通过对光阴极微波电子枪的优化设计和发射度补偿技术的应用，给出初始电荷量分别为200pC和1 nC情况下，电子能量为5.67 MeV，能散为2.3‰和7.6‰，横向归一化发射度εn, rms分别等于0.373 mm∙mrad和0.934 mm∙mrad，电子枪输出束团的能量和发射度都得到较好的结果，达到了THz光源对于电子束团的要求。
| [1] |
LCLS-conceptual design report for the LCLS project[R/OL].2002.http://www-ssrl.slac.stanford.edu/lcls/cdr/, SLAC-R-593
( 0)
|
| [2] |
TESLA technical design report Part V:the X-ray free electron laser[R/OL].DESY, 2001.http://tesla.desy.de/new pages/TDR CD/PartV/xfel.html
(0)
|
| [3] |
Poole M W, Bennett S L, Bowler M A, et al.4GLS:a new type of fourth generation light source facility[C].Particle Accelerator Conference, Proceedings of the IEEE, 2003, 1:189-191.DOI:10.1109/PAC.2003.1288875
(0)
|
| [4] |
Corlett J N, Barletta W A, DeSantis S, et al.A recirculating linac-based facility for ultrafast X-ray science[C].Particle Accelerator Conference, Proceedings of the IEEE, 2003, 1:186-188.DOI:10.1109/PAC.2003.1289668
(0)
|
| [5] |
Park S J, Park J H, Parc Y W, et al.Status of PPI(Pohang Photo-Injector) for PAL XFEL[C].Proceedings of the 2005 Particle Accelerator Conference, IEEE, 2005:1733-1735.DOI:10.1109/PAC.2005.1590894
(0)
|
| [6] |
BESSY soft XFEL technical design report[R/OL].2004.https://www.helmholtz-berlin.de/media/media/grossgeraete/beschleunigerphysik/fel/fel_tdr_web.pdf
(0)
|
| [7] |
Neil G R, Bohn C L, Benson S L, et al. Sustained kilowatt lasing in a free-electron laser with same-cell energy recovery[J].
Physical Review Letter, 2000, 84 (4) : 662 .
DOI: 10.1103/PhysRevLett.84.662 (0)
|
| [8] |
Wishart J F, Cook A R, Miller J R. The LEAF picosecond pulse radiolysis facility at Brookhaven National Laboratory[J].
Review of Scientific Instruments, 2004, 75 (11) : 4359 –4366.
DOI: 10.1063/1.1807004 (0)
|
| [9] |
Brown W J, Anderson S G, Barty C P, et al.Generation of high brightness X-rays with the PLEIADES Thomson X-ray source[C].Particle Accelerator Conference, Proceedings of the IEEE, 2003, 1:95-97.DOI:10.1109/PAC.2003.1288850
(0)
|
| [10] |
Conde M E, Gai W, Konecny R, et al.A high-charge high-brightness L-band photocathode RF gun[R].Argonne National Lab, IL(US), 2000
(0)
|
| [11] |
Carr G L, Martin M C, McKinney W R, et al. Very high power THz radiation at Jefferson Lab[J].
Physics in Medicine and Biology, 2002, 47 (21) : 3761 .
DOI: 10.1088/0031-9155/47/21/313 (0)
|
| [12] |
黄文会, 何小中, 黄刚, 等. 基于汤姆逊散射的X射线光源物理问题研究[J].
高能物理与核物理, 2004, 28 (4) : 446 –450.
DOI: 10.3321/j.issn:0254-3052.2004.04.024 HUANG Wenhui, HE Xiaozhong, HUANG Gang, et al. Preliminary study of X-ray source based on Thomson scattering[J]. High Energy Physics and Nuclear Physics, 2004, 28 (4) : 446 –450. DOI: 10.3321/j.issn:0254-3052.2004.04.024 ( 0)
|
| [13] |
刘圣广, 李永贵. 光阴极微波电子枪中发射度补偿及模拟计算[J].
原子核物理评论, 2002, 19 (3) : 338 –341.
DOI: 10.3969/j.issn.1007-4627.2002.03.007 LIU Shengguang, LI Yonggui. Analysis of emittance compensation and simulation results to photo-cathode RF gun[J]. Nuclear Physics Review, 2002, 19 (3) : 338 –341. DOI: 10.3969/j.issn.1007-4627.2002.03.007 ( 0)
|
| [14] |
魏献林, 吴丛凤. 减小直线加速器耦合腔中不对称性的方法[J].
核技术, 2013, 36 (7) : 070102 .
DOI: 10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.070102 WEI Xianlin, WU Congfeng. Reducing the asymmetry in coupled cavity of linear accelerator[J]. Nuclear Techniques, 2013, 36 (7) : 070102 . DOI: 10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.070102 ( 0)
|
| [15] |
Palmer D T.The next generation photo-injector[R].1998
(0)
|
| [16] |
Kim K J. RF and space-charge effects in laser-driven RF electron guns[J].
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A:Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 1989, 275 (2) : 201 –218.
DOI: 10.1016/0168-9002(89)90688-8 (0)
|
| [17] |
Carlsten B E. New photoelectric injector design for the Los Alamos National Laboratory XUV FEL accelerator[J].
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A:Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 1989, 285 (1) : 313 –319.
DOI: 10.1016/0168-9002(89)90472-5 (0)
|
| [18] |
何小中, 唐传祥, 黄文会, 等. 光阴极电子枪中金属光阴极的热发射度研究[J].
高能物理与核物理, 2004, 28 (9) : 1007 –1012.
DOI: 10.3321/j.issn:0254-3052.2004.09.021 HE Xiaozhong, TANG Chuanxiang, HUANG Wenhui, et al. Researches on thermal emittance of metal cathode in photo injectors[J]. High Energy Physics and Nuclear Physics, 2004, 28 (9) : 1007 –1012. DOI: 10.3321/j.issn:0254-3052.2004.09.021 ( 0)
|
| [19] |
谢应猛, 张善才, 汤振兴. 一种微波栅控直流电子枪初步物理设计[J].
核技术, 2015, 38 (6) : 060104 .
DOI: 10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.060104 XIE Yingmeng, ZHANG Shancai, TANG Zhenxing. Preliminary physical design of a RF-gated gridded thermionic gun[J]. Nuclear Techniques, 2015, 38 (6) : 060104 . DOI: 10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.060104 ( 0)
|