4-40  20 MW速调管调制器研制

甘孔银  单李军  胡和平  郜瑞贤  黎  明  金  晓

3~8 µm自由电子激光(FEL)实验系统主要由光阴极注入器、RF驻波加速腔、磁脉冲压缩、永磁摇摆器、光纤谐振腔和单一微波源系统组成。主要工作过程是：由光阴极产生微脉冲电流为30~50 A的电子束团进入RF驻波加速腔加速到30 MeV，再经磁脉冲压缩，得到更高微脉冲电流的电子束团，然后该束团进入摇摆器和光学谐振腔得到FEL增益放大。

根据FEL谐振条件可知，FEL谐振波长主要由束能、摇摆器周期和磁场强度决定。通常情况下，影响FEL激光的主要因素是束品质。电子束能量的任何起伏都将造成FEL激光波长的波动，这对于大多数FEL应用来讲是很不利的；另一方面，FEL的增益带宽是和1/2N同量级的(N是摇摆器的总周期数)，在3~8 mm FEL实验中，摇摆器的周期数为43，因此增益带宽大约在1%量级，这意味着电子能量有0.5%的偏差都将使得谐振波长偏移出增益带宽，使得FEL激光不得不重新从噪音信号开始建立。因此，在FEL实验中保持电子束能量的稳定性至关重要。

由于3~8 mm FEL实验系统中电子是在RF驻波加速腔中加速的，在最佳相位匹配情况下，微波功率和电子能量波动成平方关系；在不考虑激励源变化情况下，速调管输出功率与调制器输出电压呈5/2方成比例，因此阴极电压相对变动对电子能散成5/4线性关系。如果要将电子束能散控制在0.2%以下，那么调制器输出电压波动应当小于0.16%。

由讨论和理论研究结果，20 MW速调管调制器具有的技术指标：输出电压250 kV；输出电流220 A；脉冲平顶宽度10 ms；上升时间1.5 ms；下降时间2 ms；重复频率25 Hz；脉间稳定度0.1%；平顶波动0.1%。

从技术难度和成本两方面考虑，决定采用线性调制器方案。为了达到0.1%平顶波动，采用20节双人工线，采用双人工线的主要好处在于：可以降低脉冲变压器设计上的难度和降低充电电压，此外还可以利用双人工线中的分布参数对平顶波动进行补偿，由此可以获得更高平顶波动。脉冲间稳定度主要是由形成线充电稳定度决定的，形成线充电主要通过20 kHz谐振逆变充电和高精度反馈方式实现，该方式可以得到0.08%充电精度，因此输出电压的脉冲间波动小于0.1%。

根据上述技术方案，成功研制了20 MW速调管调制器，并在2005年初对调制器进行了假负载和速调管实验，在假负载上获得了260 kV、220 A、25 Hz、平顶脉冲10 ms、平顶波动小于0.15%的脉冲输出。在接速调管后，进一步的调整人工线，在7 ms脉冲宽度内获得了0.093%平顶脉冲波动；扣除本底波动，调制器的脉冲间稳定度可以达到0.092%，上述结果都优于设计指标。