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CAEP光阴极RF腔注入器

李正红  
【摘要】: 光阴极RF腔注入器是一种能产生高流强、低能散、低发射度电子束的高 亮度电子束注入器,同热阴极RF腔注入器相比,这种注入器涉及到一些不同 的物理和技术方面的问题。 在光阴极RF腔注入器中,电子束的时间结构由驱动激光控制、消除了热阴 极RF腔注入器中的电子反轰效应,RF腔中加速场强较高,电子束受到的空间 电荷效应得到很好的控制。同时,驱动激光器的参数、阴极材料的选择和制备 工艺也直接影响该注入器电子束的品质。 本论文针对CAEP光阴极RF腔注入器的特点,从理论和实验上研究了驱 动激光器、光阴极和光阴极RF腔涉及的有关物理问题。该注入器采用四倍频 Nd:YAG锁模激光器驱动、半导体(Cs_2Te)为光阴极、L波段(2+0.5)腔为 加速腔、工作频率1.3GHz、和KL-28速调管组成的微波系统作为功率源。现己 获得很好的实验结果:束流70A,电子能量2MeV,发射度4mm.mrad,束团徽 脉冲宽度10ps,微脉冲重复频率81.25MHz,宏脉冲宽度2.5us,宏脉冲重复频 率为3.125Hz。 作为驱动激光,要求激光脉冲的时间抖动小、微脉冲宽度窄、脉冲功率高。 通过研究锁模激光器的工作原理、皮秒激光脉冲的放大和信频过程,我们提出 并采用了二极管泵浦的自锁模激光器改进原来灯泵浦锁模的驱动激光器,改进 后驱动激光器的激光脉冲时间抖动小于2ps,微脉冲宽度由原来的60—80ps降 到10ps,激光脉冲功率提高一个量级,满足了注入器的要求。 作为光阴极材料,要求量子效率高,工作稳定。在注入器实验中采用半导 体(Cs_2Te)作为光阴极,该光阴极工作稳定、量子效率高、使用寿命长;实验 中在注入器装置上制备Cs_2Te阴极,制备过程中用紫外灯监测阴极性能,而且 在真空中将制备好的Cs_2Te阴极传递到RF腔中进行实验。除了半导体(Cs_2Te) 阴极,我们还研究了金属(Sm、Cu等)和金属化合物(LaB_6)阴极的光电发 射特性。论文给出了KrF准分子激光和四倍频Nd:YAG锁模激光器驱动下, 金属(Sm、Cu、Y等)、金属化合物(LaB_6)和半导体(Cs_2Te)光阴极的实验 结果、以及关于金属与金属化合物阴极在真空中提高量子效率的处理方法和有 关实验结果的分析。 光阴极RF腔的场强较高,尤其是首腔(CAEP光阴极RF腔注入器的首腔 轴向平均场强为26MV/m,阴极表面场强为37MV/m)。在首腔中电子从阴极表 面发射后,在强场作用下,很快达到相对论状态,电子受到的空间电荷效应得 到很好的控制。在研究RF腔中电子的运动中,论文将电子在RF腔中的运动分 为阴极表面附近的非相对论运动和远离阴极表面后的相对论运动,由此根据RF 摘 要 腔轴上轴向电场的强度(可用拟合解析式求得)、驱动激光的入射相位和脉冲宽 度等条件,给出了电子的纵向运动表达式,包括电子能量、出口相位、电子束 能散和束团长度等参数。在电子束的横向运动研究中,根据电子的横向运动特 点和电子束均方根发射度的定义,研究了近轴条件下电子束的均方根包络半径 和发射度增长。 在光阴极注人器实验中,电子束参数(发射度、能散、流强和束团纵向长 度)的测量很重要。在实验中,束团长度(电子束微脉冲宽度)是根据驱动激光 的微脉冲宽度来取值的,近似等于驱动激光的微脉冲宽度;电子束的发射度是 根据包络方程,采用两屏法来测量的;在测量电子束流强和电子能量中,通过 偏转磁场将电子束偏转输出,用法拉第筒测量记录偏转输出的束流脉冲电荷, 实现电子能量和柬流脉冲强度的测量。 论文创新之处: l、针对不同金属及金属化合物材料,建立了一套系统的在真空中处理阴极 的方法及理论分析,使得典型的金属或金属化合物光阴极材料的量子效率有量 级的提高。 2、首次用分段处理方法,分析、研究光阴极RF腔注入器中电子的运动和 加速过程,获得了输出束流参数(包括电子束能量、能散、束团纵向长度、电 子束横向发射度和包络等参数)与驱动激光参数的关系。 3、提出并采用二极管泵浦的自锁模激光器哑100和时间同步器0X—1000 改进原声光锁模振荡器和激光器,解决了激光脉冲同微波脉冲的相位同步控制 和调节,激光脉冲宽度由原来的 60-100PS减小到 10PS、激光脉冲同标准信号 之间的时间抖动达到了G矿<Zps,满足光阴极 RF腔注入器对驱动激光器的要 求。在光阴极RF腔注入器实验中,获得了:电子能量ZMeV、束流流强70A、发 射度4mm.mr。d,亮度达到4X101。A/,的高亮度电子束流。


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