基于雙頻柵控電子槍的組合型注入器設計

韓小溪 楊 鵬

（1.海軍裝備部 北京 100021）（2.中國艦船研究設計中心 武漢 430064）

1 引言

太赫茲（THz）波具有低能性、強穿透性、瞬態性、寬帶性、相干性等特征［1］，實現太赫茲波高效、遠距離傳輸將在國防建設、國家安全等領域有著重要的應用價值和前景。基于直線加速器驅動的THz波段自由電子激光（Free-Electron Laser，FEL）具有高功率、高效率、波長連續可調等突出優點，是目前可以獲得大功率THz波的首選方案。

在加速的初始階段，電子的縱向運動是最復雜的，且電子束流的性能對整個加速器的性能參數有著至關重要的影響。在不降低束流質量的前提下，為了滿足結構簡單緊湊，實現束流無損傳輸的要求，需要設計一種高性能的經濟、緊湊的注入器。

光陰極電子槍輸出的束流品質高，然而熱陰極電子槍的維護成本非常低，并且具有輸出穩定、經濟性高等優點，具備軍工發展化和應用化的潛力［2］。近年來的研究表明，通過聚束、斬波等方法可以使熱陰極直流高壓電子槍的輸出束團性能滿足FEL的需求。R.J.Bakker在熱陰極直流高壓電子槍的基礎上，向陰極-柵網中饋入1GHz射頻場并控制電子發射，當射頻電場處于正向區間且幅度大于柵偏壓時則引出電子［7］。P.Spangle等在柵網中的基頻場上疊加三倍射頻場，提高峰值流強并縮短發射區間［5］。謝應猛等基于HSL的直流高壓電子槍，設計了一種100kV雙頻柵控電子槍，可獲得210pC的短束團［8］。

為了滿足自由電子激光的束流要求，束團電荷量需要達到200pC以上，束團長度小于10ps，發射度需要低于20πmm?mrad，能量分散小于0.8%［9～10］。基于對束流質量、捕獲效率、增益、裝置穩定性等因素的考量，本文設計了一種基于雙頻柵控電子槍的組合型注入器。我們以雙頻柵控電子槍作為外置電子源，組合直線加速器的聚束段和加速段作為FEL的注入器。組合型注入器的示意圖由圖1給出。

圖1 組合型注入器拓撲結構示意圖

2 雙頻柵控電子槍設計

2.1 電子槍槍體設計

本文中設計的雙頻電子槍槍體采用皮爾斯型二極槍結構，主要部件包括陰柵組件、聚焦極、陽極。電子槍的陰柵極間距與整體結構尺寸之間比例過小，結構復雜，且束流發射后將不再受陰柵組件影響，因此可以對模型進行簡化，將整個陰柵組件設置為平面陰極。選定以平面陰極中心、半徑為4.25mm的面為陰極發射面。對陽極板的邊沿伸出端，向陰極進行延長處理，用以防止漏場，并加強電極對電子注的聚焦效果，同時還可避免部分電子發射到陶瓷法蘭上造成電子累積。為防止電極頭真空擊穿導致尖端放電，使設備遭受損壞，對聚焦極和陽極的收集極進行倒圓角處理。

設定電子槍的陰極電勢為-50kV，陽極接地，利用CST粒子工作室模擬得到電子槍的電勢分布和電場分布如圖2所示。電子槍中最高場強位于聚焦極伸出的弧頭處，約為12MV/m，遠小于最大擊穿場強15MV/m，因此不會發生真空擊穿而出現打火的現象。

圖2 CST仿真得到的50kV電子槍電勢和電場分布

2.2 雙頻柵控電子槍工作原理

雙頻柵控電子槍在直流高壓電子槍的基礎上，在陰極和柵極之間構造了一個雙頻諧振腔，雙頻諧振腔工作于TM010和TM020模式下，頻率分別為952 MHz和2856 MHz。雙頻軸向電場用于從陰極中通過柵極引出電子。雙頻柵控電子槍的工作原理如圖3所示。雙頻場和柵極負偏壓共同控制陰極電子的引出，即只有當雙頻場幅值大于柵極負偏壓時，電子才能從陰極被加速引出；否則電子將會被負向柵偏壓抑制，非引出相位電子將無法從陰極逃逸［11］。因此，長束流將會被壓縮成較短的束團。

圖3 雙頻柵控電子槍的工作原理

雙頻柵控電子槍中，柵網的電勢是由直流偏壓φG(t)和隨時間變化的射頻電壓φRF(t)共同組成：

其中，柵網的射頻電壓φRF(t)可以表示為［10］

本文中電子槍的柵網中引入了952MHz、TM010模式和2856MHz、TM020模式兩種場，因此取n=3。

2.3 雙頻槍束流動力學模擬

雙頻柵控電子槍在無微波饋入時，可以視為直流高壓電子槍。當陰極和陽極的電壓分別為-50 kV和0 kV時，在整個952 MHz的一個周期內，直流高壓電子槍的陰極發射的電子束電流為1.0 A，宏脈沖束長為1.05ns。使用PARMELA軟件分別對直流高壓槍和雙頻柵控電子槍進行模擬，令基頻和三倍頻的峰值場強為2 MV/m，且其中基頻和三倍頻的峰值比為2：1。

圖4為多束團模擬下的縱向包絡和相位分布圖。在柵偏壓和雙頻場的共同控制下，原本占滿3個2856MHz周期內的1080°相位輸出的長束團，被壓縮分為3個短脈沖束團輸出。每個束團的大部分電子都集中于頭部。這種分布的電子束團在聚束和增能的過程中，絕大部分的電子都能處于聚束相位。

圖4 多束團模擬下的縱向包絡和相位分布圖

在加入雙頻控制前后的電子槍出口具體參數對比見表1。以上結果說明，雙頻柵控電子槍在不引入較大能散的前提下，相比于直流電子槍具有輸出束團長度更短，峰值流強更高的顯著優勢。

表1 引入雙頻柵控前后的電子槍輸出束團參數對比

3 直線加速器數值計算

雙頻柵控電子槍可以輸出的束團，雖還不能滿足驅動高品質的FEL的峰值電流要求，但由于束團的亮度較高，長度在幾十ps量級，可無需再通過增加聚束結構來壓縮束團長度。因此，我們以雙頻柵控電子槍作為外置電子源，并在電子槍下游直接通過直線加速器來完成束團聚束和增能的過程。因此，組合型注入器的總長度可以進一步縮短，以滿足緊湊性的要求。

速度聚束發生在電子從低能量加速到接近光速的過程中。根據自動穩相原理，接近于同步相位的電子，最終可以聚相在平衡相位上的一個較小的相寬內［12］。在聚束過程中，電子的相速度發生了很大的變化，因此加速腔的相速度應滿足相應的變化。因此，加速器聚束段使用的是變相速等阻抗結構，其功率平衡方程應滿足式（3）：

在研究縱向運動時，計算區域靠近加速場軸線，因此可以采用近軸近似條件，忽略高次項，取徑向一次項得到線性方程，我們對電子縱向運動方程采用傍軸近似，基于式（3）可以得到聚束段中的電子縱向運動方程，如式（4）所示：

其中，βcell為各加速腔中的電磁波的相速度，β表示電子在加速腔中運動的相速度。

電子在進入加速段時，速度已經接近光速，加速段中各加速腔的相速度應保持不變。等梯度加速結構的高頻功率轉換效率更高，具有較高的能量增益，可以縮短加速段的長度，提升緊湊性。因此，加速段采用等梯度加速結構，等梯度加速結構的功率平衡方程為式（5）：

取雙頻柵控電子槍的輸出作為組合型加速器的輸入，考慮束負荷效應和空間電荷效應，采用龍格庫塔方法優化計算后，選用相速度為0.56、0.68、0.82、0.90、0.92、0.999，共9個加速腔組成聚束段，總長度為27.7cm。加速段為80.5cm長的等梯度加速結構，由23個工作于2π/3模式的加速腔組成。多相位粒子輸入的數值計算結果表明，該加速器對雙頻電子槍發射的電子捕獲效率可達100%，束流頭部相位可以聚焦到10°以內，如圖5（a）所示。圖5（b）則說明了加速器出口處的束流能量增益為32.16滿足要求。

圖5 加速器中縱向束流動力學計算結果

4 全過程束流仿真

使用PARMELA對組合型注入器進行從頭至尾的全過程模擬，即對電子從陰極發射到從加速器出口引出的過程進行模擬。在考慮束負荷效應和空間電荷效應的影響下，組合型注入器出口處的束團輸出結果如圖6所示。具體的束團參數如表2所示。

圖6 注入器出口處束團輸出結果

表2 注入器輸出束團參數

全過程束流仿真結果中電子的捕獲效率達到了98.07%，說明電子在注入器中運動時損失很小，注入器的輸出束流品質穩定。束班RMS尺寸在1mm以內，且電子基本都集中于束團束心。從注入器引出的束團的RMS長度為3.6ps，絕大部分電子相位寬度被聚集到5°以內。

5 結語

雙頻柵控電子槍具有直流高壓電子槍的緊湊性與經濟性，同時還能輸出68ps，電荷量在200pC以上的束團。在電子槍及其下游直線加速器的參數優化匹配條件下，基于雙頻柵控電子槍的組合型注入器能輸出能散為0.58%，發射度為6.261πmm?mrad，rms半徑為0.3mm的高亮度束團，束團在經過僅27.7cm的聚束段以及80.5cm的加速段后，長度在5ps以內，能量高于14MeV，達到了驅動FEL的要求。注入器可近似實現束流的無損傳輸，電子捕獲率為98.07%，經濟性顯著，為FEL源的應用化和軍用化發展提供了理論依據。