紧凑型亚毫米波FEL预注入器关键技术研究-电磁场与微波技术专业论文.docxVIP

万方数据 万方数据 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保 密□，在 年解密后适用本授权书。 本论文属于  不必威体育官网网址□。 （请在以上方框内打“√”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华中科技 大学博士 学 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 摘 要 为满足高性能亚毫米波自由电子激光器(Free Electron Laser, FEL)对电子束流品 质的要求，高亮度电子束团预注入器已经成为人们研究的焦点。尽管光阴级注入器在 产生高亮度电子束方面发展迅速并且成绩卓越，但热阴极注入器在产生高亮度和短脉 冲束流方面也有其发展的潜力，尤其是其简单易加工的结构更是有利于亚毫米波自由 电子激光器往小型化和应用化方向发展。 独立调谐式微波电子枪(Independently Tunable Cells RF gun)是以热阴极发射电 子，以多个驻波谐振腔完成束流脉冲化及能散补偿的新型电子束团预注入器。该结构 最大特点是腔与腔之间相互没有耦合，每腔可分别独立馈入功率和调节相位。通过选 择合适的馈入功率和高频相位搭配，能够得到较优的束流品质。此外还能避免 α 磁铁 和激光系统的使用，使整个结构更加紧凑。在此基础上采用阴极外置(External Cathode) 的结构，能进一步增大流强和降低能散度，同时消除电子反轰对阴极工作的不利影响。 本论文则通过将电子源改为双阳极栅控电子枪，并适当调整结构参数，使得 EC-ITC 微波电子枪的性能得到增强。最后，通过调谐两腔场强和相位，在没有补偿线圈和 α 铁的情况下可以获得 ps 量级束团长度，10-3 量级能散度，微脉冲束团有效电荷量大于 200pC，能量约 2.6MeV，归一化发射度小于 10π mm mrad 的束流。 本论文在综合阐述 FEL 预注入器关键技术的基础上，对增强型 EC-ITC 微波电子 枪做了深入分析：首先利用一维模型对 EC-ITC 微波电子枪的聚束性能进行了估算， 推导出首腔场强的近似最低值，并结合带电粒子所受径向力的公式分析了其各个组成 部分的物理意义，然后通过束流动力学仿真对上述理论研究工作进行了验证，结果吻 合良好。论文借用光阴级微波电子枪中发射度增长和发射度补偿的概念，对 EC-ITC 首腔产生的束团头部的归一化横向发射度变化进行了详细研究，束流动力学仿真结果 显示束团头部在经过 EC-ITC 第二腔时，因等效聚焦透镜以及束团整形的共同作用得 到了发射度补偿。此外，论文针对 EC-ITC 微波电子枪多束团工作状态，高频场和输 入束流参数不稳定性，以及准直等非稳态问题进行了计算，并给出了调节范围。 在增强型 EC-ITC 微波电子枪的基础上，论文提出了高性能紧凑型亚毫米波 FEL 注入装置的物理设计方案，按照指标要求对其中的主要部件，包括行波加速管、螺线 管聚焦系统等分别进行了初步设计，最后给出了 Start-to-end 束流动力学仿真结果。 I 结果显示，该方案可以实现高亮度电子束团的稳定引出。 除此之外，由于对增强型 EC-ITC 微波电子枪工作特性的深入分析可以得出其性 能有改进与提高的空间的结论，论文提出了提高束流利用率的任务，该任务的最终目 的旨在在保证亚毫米波 FEL 装置性能指标的同时降低电子源的设计压力。论文总结 出了 ITC 微波电子枪的设计规律，并以流程图的方式给出了新型(Type Novel) ITC 微 波电子枪的设计方案。通过对多种不同场型的分析和对比，以及前人研究经验的基础 上，给出了 TN-ITC 微波电子枪的物理设计结果。结果表明，这种新型 ITC 微波电子 枪仅需要 2.5A 的输入流强就可以达到高性能亚毫米波 FEL 装置的要求，将束流利用 率提高了一倍。 关键词：外注入式独立调谐电子枪；亚毫米波；自由电子激光器；热阴极注入器； 束流动力学；发射度补偿；新型独立调谐电子枪 II 万方数据 万方数据 Abstract To meet strict quality demands o