高性能電子槍的設計與研究.pdf

1、為滿足自由電子激光器對高品質(zhì)電子束流的要求，高性能電子槍的研究已經(jīng)得到了廣泛重視。本文就應用于自由電子激光器的三種高性能電子槍開展了設計和研究工作。
　　論文第一部分介紹了15 keV強流柵控電子槍，它作為獨立調(diào)諧微波電子槍的外注入式電子源，為遠紅外自由電子激光器提供高品質(zhì)的電子束流。我們提出了一種雙陽極結構，即在常規(guī)柵控槍結構的基礎上增加了中間電極，使得束流在電子槍內(nèi)經(jīng)過加速再減速的過程，提高了電子槍的發(fā)射能力和聚焦性能，成功實

2、現(xiàn)了高導流系數(shù)和大面積壓縮比電子槍的設計。這種結構還可以根據(jù)實際需要，通過調(diào)整中間電極的電壓來調(diào)節(jié)電子槍的最佳輸出電流而能量保持不變。通過對遠紅外自由電子激光注入器的束流動力學計算和優(yōu)化，可以使系統(tǒng)對電子槍的輸出流強由設計值4.2A降低至2.45 A。
　　雙陽極方案的電子槍結構復雜、緊湊，為了避免可能出現(xiàn)的真空擊穿和絕緣陶瓷表面爬電現(xiàn)象，我們采用雙脈沖電源對陰極和中間電極供電，柵控信號疊加在高壓脈沖信號上。這種方式既降低了打火和

3、爬電的風險，又保證了輸出束流的具有良好的上升沿和下降沿，并能實現(xiàn)脈寬可調(diào)。
　　為了測量提供給獨立調(diào)諧微波單元的脈沖束流品質(zhì)，我們根據(jù)該柵控電子槍的輸出束流能量低、流強高的特點，設計了一套電子槍測量裝置測量陽極出口處，即獨立調(diào)諧微波電子槍入口處的束流流強和束斑尺寸。該裝置通過一段陶瓷腔與電子槍連接，電子槍陽極固定在陶瓷腔法蘭上。步進裝置驅(qū)動熒光屏從陽極下游的真空室移動至陶瓷腔內(nèi)的陽極出口處，通過后方的觀察窗和反射鏡采集束斑信號。該

4、方案省去了屏蔽罩，將FCT直接套在陶瓷真空室外，可以使FCT的位置貼近陽極出口。另外，我們還在高壓電源回路中放置了三個束流流強檢測器，可以通過測量高壓電源和燈絲電源的負載電流，測得陰極的發(fā)射電流、柵網(wǎng)的截獲電流、以及電子槍內(nèi)電極上損失的電流，為獲得最佳的電子束輸出提供參考依據(jù)。
　　論文第二部分介紹了500 kV脈沖高壓電子槍系統(tǒng)。為了獲得較低初始發(fā)射度的3A脈沖束流，該電子槍選用發(fā)射性能優(yōu)異、抗中毒能力良好的單晶CeB6作為陰極

5、材料，陰極發(fā)射面直徑3 mm;通過對槍體內(nèi)電場分布的計算，優(yōu)化了電子槍的電極形狀，給出了束流動力學計算結果。我們設計了一套雙縫法發(fā)射度測量裝置平臺，給出了裝置的布局。另外，我們還完成了基于500 kV脈沖高壓電子槍的預注入器的物理設計，驗證了該槍作為短波長自由電子激光器電子源的可行性。
　　論文的第三部分介紹了對光陰極微波電子槍中的類肖特基效應的初步研究。我們針對ASTRA對PITZ光陰極微波電子槍中類肖特基效應的模擬結果與實驗數(shù)