一种微波栅控直流电子枪初步物理设计

谢应猛 张善才 汤振兴

（中国科学技术大学 国家同步辐射实验室 合肥 230029）

一种微波栅控直流电子枪初步物理设计

谢应猛 张善才 汤振兴

（中国科学技术大学 国家同步辐射实验室 合肥 230029）

红外波段自由电子激光的小信号增益大小以及饱和功率对束流的能散非常敏感。为满足远红外自由电子激光对能散的要求，在合肥光源栅控直流高压电子枪的基础上，模拟了一种热阴极微波栅控直流高压电子枪。微波栅控直流高压电子枪采用微波栅控的方法，控制和压缩阴极引出电子束团的长度。再通过直流高压对电子加速后，在电子枪的出口可以得到量级为几十皮秒的束团。本文使用SUPERFISH、POISSON分别进行栅控微波场与高压电场优化计算，PARMELA (Phase And Radial Motion in Electron Linear Accelerators)进行束流跟踪与分析，得到一组能满足红外自由电子激光需求的电子枪参数。

微波栅控热阴极电子枪，束团长度，三次谐波，双频腔

热阴极电子枪由于其阴极工作寿命长、稳定性好、技术比较成熟、能提供较大的电流密度，现有的同步辐射光源注入器的电子枪多为栅控直流电子枪。如国家同步辐射实验室HLSⅡ的800 MeV直线加速器、上海光源的150 MeV电子直线加速器[1]。栅控直流枪在自由电子激光的应用也较为广泛，如德国HZDR (Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf)的ELBE ( Electron Linear accelerator with high Brilliance and Low Emittance)装置[2]与荷兰的FELIX (Free Electron Laser for Infrared eXperiments)[3]。

直流高压电子枪得到的是直流束流，束流在被进一步加速之前，需要经过预聚束器、聚束器进行聚束。在聚束过程中，360°相位的电子中大部分会被纵向聚束到10°−20°的加速相位上。由于聚束是通过调制电子的能量与相位关系，电子的能散被人为加大来实现速度调制，从而实现纵向聚束。因而在这一过程中，束流的能散会变得很大。对于高能加速器来说，由于电子能量高，聚束带来的能散并不明显。而对于低能量的加速器，这种初始能散对最终束流能散的贡献就不可忽略了。

为解决栅控直流高压电子枪对低能加速器造成的能散大的问题，采取减小电子枪出口的束团长度的方法。FELIX利用了在栅网与阴极间加1 GHz的微波场以及栅网负偏压来控制电子的引出相位，选择性的引出一部分相位的电子，最后得到较短的束团。在这类电子枪的基础上，Sprangle[4−5]等在栅网与阴极间加基波场与谐波场，在电子枪出口能得到更短的束团。其模拟了基波700 MHz加三次谐波2100 MHz的微波场下，当阳极高压 35 kV时，在阳极孔下游出口得到1 nC、45 ps (RMS)的束流。文献[6]提到了另一种类似的枪，区别在于栅网与阴极间馈入基波、三次谐波和五次谐波的微波场，然后又通过微波场加速电子，最后得到129 keV、束团长度为29.4 ps (RMS)的束流。本文采用基波加三次谐波(952 MHz+2856 MHz)的方法，在合肥光源(Hefei light source, HLS)现有栅控直流高压电子枪的基础上，模拟设计了一个微波栅控直流高压电子枪。

1 电子枪工作原理

微波栅控直流高压电子枪主要由阴极、聚焦栅极、阳极组成。阴极发射的电子通过一定形状的聚焦极聚焦，经阳极与阴极间100 kV的高压引出。其中栅网偏压由直流栅偏压和脉冲栅偏压组成，脉冲栅偏压在栅极加相对阴极的正电压时，起到聚焦和引出束流作用；平时直流栅偏压在栅极加相对阴极负压时可以起到抑制束流发射作用。

微波栅控直流高压电子枪不同于栅控直流高压枪，阴极与栅网形成一个阴栅腔。阴栅腔为一个双频腔，基波频率为952 MHz，三次谐波频率为2856MHz，对应的模式分别为TM010和TM020。利用两模式的轴向场从阴极拉出电子并加速引出栅网。微波叠加场与栅网负偏压共同控制阴极电子引出，因此阴极电子只有在合适的相位才能够引出来，即选择性的引出电子，得到短的束团。当阴栅腔馈入基波与三次谐波微波功率后，阴极表面的纵向电场的表达式如下：

式中，Ez,DC表示栅网偏压作用于阴极表面的场强；Ez,1表示基波峰值场强；Ez,3表示三次谐波的峰值场强；ω表示频率为952 MHz的角频率；δ为三次谐波相对于基波的初始相位，其值为0。图1为微波场与栅网偏压在阴极表面的场强随相位变化图。当Ez＜0时，电子从阴极引出，t=π/2ω时，Ez有峰值引出场。

图1 微波场与栅网偏压Fig.1 Microwave field and DC bias.

2 物理设计

电子枪基本性能参数包括：导流系数、压缩比、电子注最小截面尺寸、阳极电压、聚焦栅极电压等。微波栅控电子枪在合肥光源二期工程中的直流高压电子枪的基础上进行设计。

表1 HLS栅控直流电子枪与在HLS基础上改造的微波栅控直流电子枪的出口束流参数(z=5.22 cm)Table 1 Beam parameters of DC gun of HLSⅡ and RF-gated gun at the exit of gun (z=5.22cm).

设计时应注意以下几个因素：(1) 栅网抑制偏压为相对阴极的直流负偏压，负偏压不能过大，否则可能会造成栅网处场强过大，发生击穿效应，损坏栅网；(2) 束团出栅网的平均能量不能过大，过大的束流初始能量会影响聚焦栅极的聚束效果；(3)电子枪设计时还需考虑空间电荷效应的影响，当束流流强太大时，空间电荷效应影响太强，会造成束流欠聚焦，当束流流强过小时，空间电荷效应较弱，会造成束流过聚焦，两种情况下束斑的尺寸都会受到严重的影响；(4) 根据束腰的位置以及束腰处束斑的大小来确定聚焦是否合适。合适的条件下，束腰在电子枪出口下游4 mm处，束斑尺寸变化不大。表1为HLS二期工程中栅控直流枪出口的束流参数与栅控微波直流高压枪出口的束流参数。

图2为POISSON静电场结构建模，阳极电压为0 V，阴极电压为−100 kV，栅网上的电压是相对于阴极的负偏压。对栅网建模时，假定栅网为一系列具有一定厚度和宽度的同心圆环，且相邻同心圆之间的距离相同。

图2 静电场结构及场形Fig.2 Structure and field map of static field.

SUPERFISH阴栅腔建模其栅网部分见图3。为防止栅网端面的场强太大，栅网端面做成圆弧面，腔中的峰值场强在栅网圆弧端面上，且为轴上微波场峰值的2.2倍左右。双频腔的微波参数见表2。

表2 双频腔微波参数Table 2 Dual-frequency cavity microwave parameters.

双频腔建模时，因为栅网孔比较小(图3)，功率在栅网孔后会慢慢截止(图4)，因此RF场建模时栅网部分直接封闭。图4是PARMELA (Phase And Radial Motion in Electron Linear Accelerators)为束流中心轴上基波场分布、三次谐波场分布以及基波与谐波叠加场分布，可见栅网中的微波场衰减很快。

图3 双频腔栅网部分结构Fig.3 Part of dual-frequency cavity.

图4 基波与三次谐波场分布Fig.4 Fundamental field and harmonic field along z axis.

3 PARMELA束流跟踪

三类电子枪PARMELA束流跟踪的初始条件如下：初始能量为1 eV，初始微脉冲束团长度为1 ns，初始电荷量为2 nC，初始设置粒子数50000个。

3.1 栅控高压直流枪束流跟踪

栅控直流高压电子枪得到的束流是连续的，束流纵向分布在952 MHz的整个周期内，电子枪出口的束流纵向分布与束斑横向尺寸如图5所示。在聚束时，为实现纵向聚束而对电子进行速度调制会引入很大能散。如合肥光源800 MeV直线加速器测量的相对能散为1%（绝对能散800 keV），软件模拟得到聚束过程中能散增长的最小值约为300 keV，此能散对于合肥800 MeV直线加速器是可以接受的，但同样的能散对低能的加速器造成的影响则是不可忽略的。

图5 直流枪阳极下游位置(z=5.22 cm)束斑横向尺寸和束流沿纵向分布Fig.5 Beam transverse dimension and longitudinal distribution of DC gun of HLSⅡ (z=5.22 cm).

3.2 基波加三次谐波的微波栅控直流高压电子枪束流跟踪

基波加三次谐波的微波栅控直流高压电子枪PARMELA束流跟踪时，基波加谐波峰值场强为1.65 MV·m−1，场形如图1的星号曲线。微波场与栅网偏压截取了65°−115°相位的粒子。总引出相位约为50°。跟踪结果显示引出的粒子约10% (5151个)，束团长度50 ps左右。电子枪出口的束流纵向分布与束斑横向尺寸如图6所示。

50°相位全部引出粒子约14%，而跟踪结果只有10%的粒子引出。粒子减少的原因主要是部分电子所处相位虽然能从阴极引出，但其在微波驻波场中获得的能量不足以克服栅网偏压抑制作用，未能通过栅网，故而粒子数减少。

粒子数减小会使束团长度减小。此外束团在微波场作用下，束团头部粒子能量较低，其速度低于其后的粒子，这导致束团头部长度缩短。由图6束流纵向分布的不对称性可知，前半部的粒子发生了聚束。

图6 基波加谐波情况下，阳极下游位置(z=5.22 cm)束斑横向尺寸和束流沿纵向分布Fig.6 Beam transverse dimension and longitudinal distribution with 3rd harmonic field (z=5.22 cm).

3.3 无三次谐波的微波栅控直流高压电子枪束流跟踪

无三次谐波的微波栅控直流高压电子枪PARMELA束流跟踪时，基波峰值场强为1.25 MV·m−1，场形如图1中的圆点曲线。微波场与栅网偏压截取了63°−117°相位的粒子。总引出相位约为54°。跟踪结果显示引出的粒子约7% (3378)，束团长度58ps左右。电子枪出口的束流纵向分布与束斑横向尺寸如图7所示。

粒子数减小的原因以及束团压缩的原因与基波加谐波微波栅控枪相同。但由于只加基波的场形变化不像基波加谐波的场形变化陡峭，其聚束效果稍弱。所以相同的引出相位时，只加基波比基波加谐波下束团长度要长。同时因为基波场的场值小，更多的低能粒子不能克服栅网偏压的抑制作用，导致更多电荷不能引出。也因为引出电荷少，空间电荷效应相对不明显，所以能散比基波加谐波情况下要小，但是对于平均能量只有100 keV的束流，基波加三次谐波的绝对能散也只有660 eV，对最终的能散影响不大。

比较上述三种枪，栅控直流枪得到的是连续的束流，聚束后绝对能散增益大。只加基波场的微波栅控枪能得到比较短的束团，但是电荷量会比较小。如果增加场强可以得到更多的电荷量，但是束团长度也会相应地增加。而在相同引出相位下，基波加谐波的微波栅控枪能得到短的束团的同时也能得到比较大的电荷量。综合考虑束团长度、电荷量以及能散(表3)，基波加谐波的微波栅控电子枪更适合做远红外自由电子激光注入器的电子枪。

图7 无三次谐波情况下，阳极下游位置(z=5.22 cm)束斑横向尺寸和束流沿纵向分布Fig.7 Beam transverse dimension and longitudinal distribution without 3rd harmonic field (z=5.22 cm).

表3 基波加谐波与基波不加谐波两种枪PARMELA模拟结果(z=5.22 cm)Table 3 Simulation results of PARMELA for non-harmonic field gun and harmonic field (z=5.22 cm).

4 栅网结构对束流参数的影响

在基波加谐波的情况下，分析栅网结构和栅网偏压对电荷量、发射度、能散以及束团长度的影响。图8−10分析栅网结构PARMELA束流跟踪时，分别保持基波与三次谐波的平均场强不变。栅网孔的大小对束团长度与电荷量基本无影响，如图8。但栅网孔大小的选择也很重要，这是因为栅网孔太小会增加栅网对束流的截获，而栅网孔过大，阳极对阴极的影响变大，会减小栅网偏压对阴极电流的控制能力即截止放大系数减小。同时随栅网孔大小变大电子通过栅网孔时受到的径向散焦力变大，使横向发射度增加。综上考虑栅网孔取190−200 μm。

图8 栅网孔对束流的影响Fig.8 Grid wire separation impacts on beam parameters.

阴栅距离对横向发射度的影响比较复杂，如图9，阴栅距离0.45 cm后发射度有上升趋势。其原因是因为随着阴栅距离的增加，粒子得到的积分场强增加，横向发射度随着阴栅距离增加而减小，但是随着电子引出相位的增加，引出电荷量增加，空间电荷效应又会使横向发射度增加。

图9 阴栅距离对束流的影响Fig.9 Cathode-grid gap impacts on beam parameters.

图10 为栅网厚度对束团长度、电荷量以及发射度的影响。同理电荷量与束团长度随栅网厚度的增加，积分场强变大，电荷量增加，束团长度变长。图8−10得出束团长度与电荷量变化趋势相同，都随电子引出相位而增加，但发射度的变化复杂，主要由电子在阴栅腔中运行的时间以及电荷量的变化造成的空间电荷效应决定。

图11、12为栅网偏压与谐波场强对束流的影响。当栅网结构确定后，通过微波场与栅网偏压的大小控制电荷量(0.2−0.6 nC)与束团长度(50−100 ps)的输出。栅网偏压与谐波场强对横向发射度的影响与阴栅距离对发射度影响类似，都是由于电子在阴栅腔运行的时间与电荷量大小造成的空间电荷效应决定。

图10 栅网厚度对束流影响Fig.10 Thickness of the grid wire impacts on beam parameters.

图11 栅网偏压对束流的影响Fig.11 Cathode-grid voltage impacts on beam parameters.

图12 不同三次谐波场对束流的影响Fig.12 Different 3rd harmonic field impacts on beam parameters.

分析得知：1、阴栅距离与栅网厚度对束团长度与电荷量影响比较大，而栅网孔对束团长度与电荷量基本没有影响；2、控制栅网偏压与微波场的大小可以调制电子的引出相位，控制输出的电荷量与束团长度；3、空间电荷效应是影响横向发射度变化的主要原因。

最后得到栅网结构优化尺寸如下：阴栅距离400−500 μm，栅网孔400 μm，栅网厚度400−450μm，栅网偏压−450 V。

5 结语

本文完成了低能远红外自由电子激光微波栅控直流高压电子枪的初步物理设计。通过软件模拟并对参数进行分析，得出微波栅控方式能选择电子引出相位，且阴栅腔的驻波场还对束团起到聚束的作用。比较了基波与基波加谐波情况下电子枪出口的束流参数，得出基波加谐波更适合做远红外自由电子激光电子枪的结论。文章还对栅网结构、栅网偏压以及微波场对束流的影响进行了分析，优化得到了一组满足设计要求的栅网结构参数。微波栅控直流高压枪下一步工作重点是阴栅腔的功率馈入问题。

1 赵明华, 林国强, 钟少鹏, 等. 上海光源150 MeV电子直线加速器的设计与调试[J]. 中国物理C, 2008, 32(S1): 244−246

ZHAO Minghua, LIN Guoqiang, ZHONG Shaopeng, et al. Design and commissioning of a 150 MeV linac for SSRF[J]. Chinese Physical C, 2008, 32(S1): 244−246

2 Evtushenko P. Electron beam diagnostic at the ELBE free electron laser[D]. Forschungszentrum Rossendorf, 2004

3 Bakker R J, van der Geer C A J, vanderMeer A F G, et al. 1 GHz modulation of a high-current electron gun[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A, 1991, 307(2): 543−552

4 Sprangle P, Penano J, Hafizi B, et al. High average current electron guns for high-power free electron lasers[J]. Physical Review Special Topics - Accelerators and Beams, 2011, 14(2): 07021

5 Gold S H, Ting A, Jabotinski V, et al. Development of a high average current RF linac thermionic injector[J]. Physical Review Special Topics - Accelerators and Beams, 2013, 16(8): 34011

6 Mitchell C, Sprangle P, Penano J. A gridded thermionic injector gun for high-average-power free-electron lasers[J]. Plasma Science and Technology, 2011, 40(8): 1977−1983

CLC TL503

Preliminary physical design of a RF-gated gridded thermionic gun

XIE Yingmeng ZHANG Shancai TANG Zhenxing
(National Synchrotron Radiation Laboratory, University of Science and Technology of China, Hefei 230029, China)

Background: In the IR-FEL (Infrared Free Electron Laser), the gain and power are sensitively dependent on the energy spread of the electrons. And at the exit of gun short bunch length can reduce the increase of energy spread in the pre-bunching and bunching section. Purpose: To meet the requirement of energy spread of IR-FEL, the paper aims to design a gridded thermionic electron gun with RF-gated. The electronic capture phase is modulated by RF field (the frequency of dual-frequency are 952 MHz and 2856 MHz) and DC (Direct Current) bias to get short bunch length (about 50 ps) at the exit of gun. Methods: The static field is based on DC gun of HLS II (Heifei Light Source II). The static and RF field are executed by using POISSON and SUPERFISH codes. Beam dynamics simulation is executed by using PARMELA code to show the evolution of the bunch distribution in the structure. Results: Dimensions of dual-frequency cavity, the field type are obtained. And two types of gun with harmonic wave or non-harmonic wave in the dual-frequency cavity are compared. Then the influence of grid wire structure on the beam parameters is analyzed. Conclusion: RF-gated gridded thermionic gun has an effect on selecting capture phase and compressing beam. And that gun with 3rdharmonic can get shorter bunch length than that without 3rdharmonic when the charge is identical. Meanwhile the structure of wire grid, DC bias and RF field have a great impact on beam parameters. Finally RF-gated gridded thermionic gun can meet the requirement of IR-FEL.

RF-gated thermionic electronic gun, Bunch length, 3rdharmonic, Dual-frequency cavity

TL503

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.060104

谢应猛，男，1989年出生，2012年毕业于南华大学，现为中国科学技术大学硕士研究生，核技术及应用专业

张善才，E-mail: shancai@ustc.edu.cn

2015-01-16，

2015-04-02