4-34  FEL用注入器研制

黎  明  杨兴繁  金  晓  陈天才

注入器设计过程中主要关注的指标有微脉冲束流强度、电子能量、电子束能散度、反轰功率和发射度等。为了满足自由电子激光研究的需要，要求峰值流强大于5 A。由于热阴极微波电子枪存在电子反轰，束流负载效应将引起能散度的增加，因此为了降低能散度，要求尽量降低反轰。利用Suoerfish程序进行了腔形优化设计，分析了加速腔内的电场分布，计算了腔壁的损耗。利用Parmela程序进行了束流动力学计算。为了提高首腔的电子俘获系数，减小电子反轰，设计过场中采用了缩短首腔长度，注入器为1+1/4腔结构。计算得到的电子束能量为1.8 MeV，峰值流强为5.5 A，归一化发射度为10 pmm×mrad。从计算结果看到缩短首腔长度有利于降低电子反轰，模拟计算得到的参数满足了设计要求。依据计算结果进行了注入器的加工和调试，为了提高腔内电场的聚焦性能，在栅控电子枪注入器的基础上在阴极附近设置了鼻锥。利用网络分析仪测量了注入器的频率、电场分布、耦合度等参数，p/2模式的频率为1 300.2 MHz。

从实测结果看到，该注入器满足了模拟计算中使用的条件。注入器加工调试完成后进行了出束实验，实验所用波源为KL-28，功率为3.5 MW。利用BCT分别测量了注入器出口处、a磁铁后和第一加速段的束流强度。由于a磁铁狭缝对电子束有筛选作用，通过改变狭缝宽度可以控制束流能散度。束流调试时需要根据FEL受激辐射的需要，既要要求电子束的能散度较小，应小于1%，又要保证微脉冲的流强足够大，大于5 A。调束实验过程中测量了不同a狭缝条件下的束流状态。从BCT结果的计算看出宏脉冲流强约为150 mA。利用条纹相机测量了微脉冲宽度，计算得到微脉冲流强大于5 A。注入器调试还进行了束流传输实验，通过改变导向磁铁和四级磁聚集透镜来调试束流的传输状态。测量了束线上不同位置的束流斑点，计算了斑点尺寸，第一加速段入口处斑点x方向和y方向的尺寸均小于2 mm。