基于双频栅控电子枪的组合型注入器设计

韩小溪 杨 鹏

（1.海军装备部 北京 100021）（2.中国舰船研究设计中心 武汉 430064）

1 引言

太赫兹（THz）波具有低能性、强穿透性、瞬态性、宽带性、相干性等特征［1］，实现太赫兹波高效、远距离传输将在国防建设、国家安全等领域有着重要的应用价值和前景。基于直线加速器驱动的THz波段自由电子激光（Free-Electron Laser，FEL）具有高功率、高效率、波长连续可调等突出优点，是目前可以获得大功率THz波的首选方案。

在加速的初始阶段，电子的纵向运动是最复杂的，且电子束流的性能对整个加速器的性能参数有着至关重要的影响。在不降低束流质量的前提下，为了满足结构简单紧凑，实现束流无损传输的要求，需要设计一种高性能的经济、紧凑的注入器。

光阴极电子枪输出的束流品质高，然而热阴极电子枪的维护成本非常低，并且具有输出稳定、经济性高等优点，具备军工发展化和应用化的潜力［2］。近年来的研究表明，通过聚束、斩波等方法可以使热阴极直流高压电子枪的输出束团性能满足FEL的需求。R.J.Bakker在热阴极直流高压电子枪的基础上，向阴极-栅网中馈入1GHz射频场并控制电子发射，当射频电场处于正向区间且幅度大于栅偏压时则引出电子［7］。P.Spangle等在栅网中的基频场上叠加三倍射频场，提高峰值流强并缩短发射区间［5］。谢应猛等基于HSL的直流高压电子枪，设计了一种100kV双频栅控电子枪，可获得210pC的短束团［8］。

为了满足自由电子激光的束流要求，束团电荷量需要达到200pC以上，束团长度小于10ps，发射度需要低于20πmm∙mrad，能量分散小于0.8%［9～10］。基于对束流质量、捕获效率、增益、装置稳定性等因素的考量，本文设计了一种基于双频栅控电子枪的组合型注入器。我们以双频栅控电子枪作为外置电子源，组合直线加速器的聚束段和加速段作为FEL的注入器。组合型注入器的示意图由图1给出。

图1 组合型注入器拓扑结构示意图

2 双频栅控电子枪设计

2.1 电子枪枪体设计

本文中设计的双频电子枪枪体采用皮尔斯型二极枪结构，主要部件包括阴栅组件、聚焦极、阳极。电子枪的阴栅极间距与整体结构尺寸之间比例过小，结构复杂，且束流发射后将不再受阴栅组件影响，因此可以对模型进行简化，将整个阴栅组件设置为平面阴极。选定以平面阴极中心、半径为4.25mm的面为阴极发射面。对阳极板的边沿伸出端，向阴极进行延长处理，用以防止漏场，并加强电极对电子注的聚焦效果，同时还可避免部分电子发射到陶瓷法兰上造成电子累积。为防止电极头真空击穿导致尖端放电，使设备遭受损坏，对聚焦极和阳极的收集极进行倒圆角处理。

设定电子枪的阴极电势为-50kV，阳极接地，利用CST粒子工作室模拟得到电子枪的电势分布和电场分布如图2所示。电子枪中最高场强位于聚焦极伸出的弧头处，约为12MV/m，远小于最大击穿场强15MV/m，因此不会发生真空击穿而出现打火的现象。

图2 CST仿真得到的50kV电子枪电势和电场分布

2.2 双频栅控电子枪工作原理

双频栅控电子枪在直流高压电子枪的基础上，在阴极和栅极之间构造了一个双频谐振腔，双频谐振腔工作于TM010和TM020模式下，频率分别为952 MHz和2856 MHz。双频轴向电场用于从阴极中通过栅极引出电子。双频栅控电子枪的工作原理如图3所示。双频场和栅极负偏压共同控制阴极电子的引出，即只有当双频场幅值大于栅极负偏压时，电子才能从阴极被加速引出；否则电子将会被负向栅偏压抑制，非引出相位电子将无法从阴极逃逸［11］。因此，长束流将会被压缩成较短的束团。

图3 双频栅控电子枪的工作原理

双频栅控电子枪中，栅网的电势是由直流偏压φG(t)和随时间变化的射频电压φRF(t)共同组成：

其中，栅网的射频电压φRF(t)可以表示为［10］

本文中电子枪的栅网中引入了952MHz、TM010模式和2856MHz、TM020模式两种场，因此取n=3。

2.3 双频枪束流动力学模拟

双频栅控电子枪在无微波馈入时，可以视为直流高压电子枪。当阴极和阳极的电压分别为-50 kV和0 kV时，在整个952 MHz的一个周期内，直流高压电子枪的阴极发射的电子束电流为1.0 A，宏脉冲束长为1.05ns。使用PARMELA软件分别对直流高压枪和双频栅控电子枪进行模拟，令基频和三倍频的峰值场强为2 MV/m，且其中基频和三倍频的峰值比为2：1。

图4为多束团模拟下的纵向包络和相位分布图。在栅偏压和双频场的共同控制下，原本占满3个2856MHz周期内的1080°相位输出的长束团，被压缩分为3个短脉冲束团输出。每个束团的大部分电子都集中于头部。这种分布的电子束团在聚束和增能的过程中，绝大部分的电子都能处于聚束相位。

图4 多束团模拟下的纵向包络和相位分布图

在加入双频控制前后的电子枪出口具体参数对比见表1。以上结果说明，双频栅控电子枪在不引入较大能散的前提下，相比于直流电子枪具有输出束团长度更短，峰值流强更高的显著优势。

表1 引入双频栅控前后的电子枪输出束团参数对比

3 直线加速器数值计算

双频栅控电子枪可以输出的束团，虽还不能满足驱动高品质的FEL的峰值电流要求，但由于束团的亮度较高，长度在几十ps量级，可无需再通过增加聚束结构来压缩束团长度。因此，我们以双频栅控电子枪作为外置电子源，并在电子枪下游直接通过直线加速器来完成束团聚束和增能的过程。因此，组合型注入器的总长度可以进一步缩短，以满足紧凑性的要求。

速度聚束发生在电子从低能量加速到接近光速的过程中。根据自动稳相原理，接近于同步相位的电子，最终可以聚相在平衡相位上的一个较小的相宽内［12］。在聚束过程中，电子的相速度发生了很大的变化，因此加速腔的相速度应满足相应的变化。因此，加速器聚束段使用的是变相速等阻抗结构，其功率平衡方程应满足式（3）：

在研究纵向运动时，计算区域靠近加速场轴线，因此可以采用近轴近似条件，忽略高次项，取径向一次项得到线性方程，我们对电子纵向运动方程采用傍轴近似，基于式（3）可以得到聚束段中的电子纵向运动方程，如式（4）所示：

其中，βcell为各加速腔中的电磁波的相速度，β表示电子在加速腔中运动的相速度。

电子在进入加速段时，速度已经接近光速，加速段中各加速腔的相速度应保持不变。等梯度加速结构的高频功率转换效率更高，具有较高的能量增益，可以缩短加速段的长度，提升紧凑性。因此，加速段采用等梯度加速结构，等梯度加速结构的功率平衡方程为式（5）：

取双频栅控电子枪的输出作为组合型加速器的输入，考虑束负荷效应和空间电荷效应，采用龙格库塔方法优化计算后，选用相速度为0.56、0.68、0.82、0.90、0.92、0.999，共9个加速腔组成聚束段，总长度为27.7cm。加速段为80.5cm长的等梯度加速结构，由23个工作于2π/3模式的加速腔组成。多相位粒子输入的数值计算结果表明，该加速器对双频电子枪发射的电子捕获效率可达100%，束流头部相位可以聚焦到10°以内，如图5（a）所示。图5（b）则说明了加速器出口处的束流能量增益为32.16满足要求。

图5 加速器中纵向束流动力学计算结果

4 全过程束流仿真

使用PARMELA对组合型注入器进行从头至尾的全过程模拟，即对电子从阴极发射到从加速器出口引出的过程进行模拟。在考虑束负荷效应和空间电荷效应的影响下，组合型注入器出口处的束团输出结果如图6所示。具体的束团参数如表2所示。

图6 注入器出口处束团输出结果

表2 注入器输出束团参数

全过程束流仿真结果中电子的捕获效率达到了98.07%，说明电子在注入器中运动时损失很小，注入器的输出束流品质稳定。束班RMS尺寸在1mm以内，且电子基本都集中于束团束心。从注入器引出的束团的RMS长度为3.6ps，绝大部分电子相位宽度被聚集到5°以内。

5 结语

双频栅控电子枪具有直流高压电子枪的紧凑性与经济性，同时还能输出68ps，电荷量在200pC以上的束团。在电子枪及其下游直线加速器的参数优化匹配条件下，基于双频栅控电子枪的组合型注入器能输出能散为0.58%，发射度为6.261πmm∙mrad，rms半径为0.3mm的高亮度束团，束团在经过仅27.7cm的聚束段以及80.5cm的加速段后，长度在5ps以内，能量高于14MeV，达到了驱动FEL的要求。注入器可近似实现束流的无损传输，电子捕获率为98.07%，经济性显著，为FEL源的应用化和军用化发展提供了理论依据。