《束腔共振场预聚束器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《束腔共振场预聚束器（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第 9 卷第 3 期 强 激 光 与 粒 子 束 V o l. 9,N o. 31997 年 8 月 H IGH POW ER LA SER AND PA R T ICL E BEAM S A ug. , 1997束腔共振场预聚束器 X施义晋曹德彰董国金杨真媛管革新周文振(中国原子能科学研究院 , 北京 275信箱 18分箱 , 102413)摘要 提出一个可用于射频加速装置预聚束的新机理 , 即束腔共振场聚束。它要求满足三个条件 : (1) 电子束重复频率与预聚腔特征频率之间要有可观的失谐 ; (2) 失谐量为负 ,即预聚腔频率要偏高 ; (3) 腔体材料为高阻抗导体。在中国原子能院的相应装
2、置上实现了这个机理 , 不用任何外加射频功率源 , 将重复频率为 108. 33M H z 的电子束团由初始 3ns, 2A 流强压缩为 1ns, 4A 流强。关键词 束腔共振场预聚束ABSTRACT In th is paper a new idea fo r beam - p rebunch ing in R FA w as p ropo sed.W ithout any app lied R F pow er source, beam p rebunch ing can be carried out. T he bunch ingdevice is the sam e as the co
3、nventional p rebuncher in structure, but obeys the conditions as fo l2low s: (1) a considerable detuning betw een the repetition of the beam bunch and the character2istic frequency of the cavity; (2) the characteristic frequency of the cavity is h igher; (3) resis2tivity of the m aterial of cavity i
4、s h igher. A set of experim ental check w as perfo rm ed on theco rresponding equipm ent built in C IA E. A p roper bunch ing w as observed.KEY WORD S beam - cavity resonance field, p rebunch ing射频加速器是很常用的加速带电粒子的装置 , 由于能散度的要求 , 射频加速器的加速相位区通常限于 5相位之内。为了得到较高质量的带电粒子束 , 带电粒子束团必须稳定地捕获于这宽为 5的相位区。因此 , 要求进入
5、加速段的带电粒子束团不仅要预先调制成合适的纵向长度 , 而且有足够小的相位跳动。对于由热阴极发射的电子束团 , 为了增大峰值流强 , 通常在聚束段之前 , 再安装 1 2个分频预聚束器 1 2 。中国原子能院正在执行 200Lm 波长自由电子激光器计划 4 。驱动装置是一台 L 波段(1300M H z) 射频直线电子加速器。为了实现激光输出 , 设计采用的电子束团微脉冲重复频率为 1300M H z 的 12分频 , 即 108. 33M H z。电子束团由栅控热阴极电子枪提供 , 电子枪阳极出口的电子束团纵向长度约为 3n s (约 2P 3相宽 )。为了提供符合质量要求的电子束 , 我们
6、在加速段之前设计安装了由预聚束器与聚束器构成的注入器。聚束器工作频率为 1300M H z, 而预聚束器则工作于 12分频 , 即与电子束团重复频率相同。由于预聚束器工作频率与电子束团重复频率相同 , 我们从同一晶振源给出信号来激励预聚束器的功率源与电子枪的栅控电压。由于频率一致 , 阴栅组件电子枪与预聚束腔实质上构成了一台简单的双腔束调管 , 因此将激励起 108. 33M H z 的射频场。通常这个场将引起散束 , 并将严重干扰功率源提供的聚束场 , 那么问题能否这样提 : 在什么条件下 , 这束腔共振场可单独用于聚束 , 而不需要外功率源提供聚束场 ? 这就是本文要讨论的束腔共振场预聚束
7、器新原理。X 国家 863激光技术领域资助项目1997年 5月 5日收到来稿 , 1997年 7月 3日收到修改稿。施义晋 , 男 , 1940年 9月出生 , 研究员 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.1理论分析分频预聚束器通常可以分解为一个间隙电容 C g 与一短路的同轴结构。短路的同轴结构为预聚束器的储能谐振腔 , 间隙电容提供聚束所需的纵向电场 , 为简化计算 2 , 仅考虑间隙电容端的输出输入特性 , 忽略射频场在谐振腔中的渡越相位 , 从电学上将其等效成一个集总参数元件。由于
8、谐振腔为一短路的小于 1 4波长的同轴线 , 其输入特性为一感性阻抗 L c。考虑到腔体欧姆损耗及输出耦合 , 引进一个分路阻抗 R c, 此外 , 在预聚束腔体上安装了一个调节活塞。通过调节活塞在腔内的长度来改变谐振腔的电学特性 , 从而实现谐振腔特征频率 X0= (C gL c) - 1 2的调节。因此 , 由间隙电容 C g 端看进去 , 整个预聚束器是一个由间隙电容C g , 电感 L c 及分路阻抗 R c 构成的并联回路 (图 1) , 它的输入阻抗 Z in可写成1Z in (t) =1Z g (t) +1ZL (t) +1R c (t) (1)其中 , Z g (t) , ZL
9、 (t)分别为间隙电容 C g 及谐振腔等效电感 L c 的阻抗。F ig. 1 (a) T he skeleton draw ing of p rebuncher. (b) T he electrically equivalent structureof the p rebuncher. (c) T he equivalent circuit looked in from the gap of the p rebuncher图 1 (a)预聚束器结构示意图 ; (b) 预聚束器的电学等价结构图 ; (c)从预聚束器间隙端看进去的等效电路按照能量守恒定律 , 电子束在穿过间隙电容的电场时所给出
10、的能量应等于预聚束器获得的能量 , 或者说两者所共同获得的能量总和为零。因此 , 有I e (t)V g (t) + V 2g (t) Z in (t) = 0 (2)其中 V g (t)为间隙电容 C g 上的电压 , I e (t)为电子束流强。对于所关心的问题来说 , 电子束是由阴栅组件热电子枪提供的调制脉冲 , 其宏脉冲持续时间 SM 12Ls, 上升时间常数 Se = 0. 5Ls, 微脉冲重复频率为 108. 33M H z, 微脉冲宽度约为3n s, 约占据 2P 3的相宽度。因此不失一般性 , 假定电子束流为I e (t) = I 0n= 0f nco s (nXe t) (1
11、 - e- t Se) (3)其中f (U) =1U20 (U20 - U2) , 2m P- U0 tm Se, Sc, 时间隙电压 V g (t)基本上只由 V g 1 (t)表征。可以分两种情况来讨论 (7)式 :(i) 当 $X= Xe- Xc= 0, 得到G1 = 1 + (4ScXe) - 2 - 1 2, U1 = arctan (4ScXe) (8)可以看出这是一般的束调管取能腔的共振条件 , 在此状态下 , 电子束将能量转换成射频场能量。要指出的是 , 不论谐振腔腔体采用的是高阻抗的不锈钢还是低阻抗的无氧铜 , U1都接近为 P 2。以我们的装置为例 , 腔体采用无氧铜和不锈
12、钢时 , 其 R c、 Sc、 U1分别为 12. 9k8 和74. 4k8 , 0. 034Ls 和 0. 199Ls, 0. 497P和 0. 499P。因此 , V g 1 ( t) = - G1V g 0co s (Xe t) , 电子束能转化为射频场的功率 $W = 0. 5G1f 21 I 20R c 2118F ig. 2 T he theo retical p rofiles of the electron bunchat entrance and exit of the p rebuncher w ithinitial energy of 65keV图 2初始能量为 65ke
13、V 的电子束团在预聚束器出入口的计算波形 , 其他参数见正文kW , (取 I 0= 2A )。为了对电子束通过预聚束器之后纵向波形的变化有一概念性的理解 , 针 对我院的装置作了计算 , 取电子束初始能量为65keV , 漂移长度 L = 1. 40m , 初始波形如图 2中曲线 (1) 所示。曲线 (2B ) 即是 $X= 0时的波形 , 可看到电子束团由初始的 3n s 拉长为 4n s,并有一个很长的散束本底。(ii) 当失谐量 $X与 (2Sc) - 1同量级时 , 由 (7)式知 , U1 P 2 P 4, ($X 0)。 $X 0时 , 电子束团处于散束相位 , 电子束在经过预聚
14、束器之后将拉长为 6n s, 见图 2中 (2C) 曲线 , (按 2$XSc= 0. 6计算 )。 $X 0时 , U1 P 4。虽然电子束团中心并不处于通常意义的聚束相位 U1 = 0上 ,但这并不意味着将不能聚束 , 取 2$XSc 为 - 0. 6 - 1. 0, 作束流波形计算 , 发现均能实现聚束(在前文给出的参数条件下 ) , 图 2中曲线 (2A )即是 2$XSc= - 0. 6的结果 , 在聚束漂移段之后 , 电子束团由 3n s 压缩到约 1n s, 且峰值流强上升为 2. 5倍。因此 , 称之为非常规聚束 , 即束流整体来讲因失去能量减速 , 而在束团内相互靠拢。323
15、第 3期 施义晋等 : 束腔共振场预聚束器 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.因此 , 用束腔共振场是可以实现聚束的 , 不需要任何外加射频功率源 , 但需要满足的条件 是失谐量 $X (2Sc) - 1m $Xc 和 $X 0。对于原子能院装置 , 采用不锈钢和无氧铜作腔体材料时 , $Xc 2 P和 ( 4 PSc ) - 1的值分别为 0. 0 0 9和 0. 3 1 8M H z, 0. 4 0 0和 2. 3 4 0M H z, V g I 0(2Sc$X= 1)分别为 20.
16、 17kV 和 3. 50k8。由以上数据看出 , 腔体采用无氧铜时很难实现聚束 :一则 (2Sc) - 1太大 , 二则聚束电压太小。因此要实现聚束 , 对腔体材料与结构亦提出了要求 ,要求 R c 较大。最直接的是要求有足够的电阻率 , 当然也可以通过结构设计提高 C g 和 R c, 但这会引起其它问题。2实验结果中国原子能科学研究院早已建成了工作频率为 108M H z, 以不锈钢 (1C r18N i9T i) 为腔体材料的预聚束器 2 , 近期也研制成功了微脉冲重复频率为 108. 33M H z, 80keV 的阴栅组件热电子枪 , 脉冲流强为 2A , 因此为这个束腔共振场聚束现象的发现与确证提供了物质准备。预聚束腔上预先安装的可调的活塞杆 , 使得聚束腔的谐振频率的可调节范围约为 600kH z。在预聚束器前后都放置了束流监测器 (BCT 1和 BCT 2) , 用响
