1目的及意义

激光由于它的相干性好、能量高、方向性好等特点在通信、医疗、工业、军事上的应用越来越广泛，一般是通过原子内受束缚电子的受激福射在激光器中产生，但常规激光的波长难于实现调动，使得激光的应用范围受到限制。同步辐射产生的光源叫做同步辐射光源，具有高亮度，宽波段（远红外、可见光、紫外直到X射线范围内的连续光谱，并且能根据使用者的需要获得特定波长的光）的优点。同步辐射是速度接近光速（v≈c）的带电粒子在磁场中沿弧形轨道运动时放出的电磁辐射，由于它最初是在同步加速器上观察到的，便又被称为“同步辐射”。同步辐射现象虽然能够产生连续谱的辐射，但是它的单色强度受到很大抑制，并且同步辐射所产生的辐射光是一种非相干光。自由电子激光是一种以在周期磁场中作振荡的相对论优质电子束作为工作物质的大功率、可调谐的相干辐射源，它具有高功率、高效率、波长的大范围调谐和超短脉冲的时间结构等一系列优良特性。自由电子激光自身具备的诸多优点就决定了它在许多领域有着非常广泛的应用，自由电子激光多用于原子核工程，同时自由电子激光在毫米波段是唯一有效的强相干信号源，因此在毫米波段的激光雷达、反隐形军事目标和激光致盲有着巨大的应用前景。

自由电子激光的性能和参数要求依赖于电子束的品质，一般用光阴极微波电子枪产生高品质的电子束团用于驱动紫外线、x射线及硬x射线等短波长激光；而热阴极微波电子枪相对来说，产生的电子束品质稍差，但也可以用于驱动红外、远红外激光以及THz辐射。无论是光阴极还是热阴极，仅仅是电子束发射的材料和机制不同，但用于电子束产生的微波腔都可以使用经典的1.6Cell微波电子枪结构。本课题拟在经典1.6Cell微波腔的基础上，精确计算其微波场型，并针对光阴极和热阴极两种电子发射方式，给出束流动力学仿真结果，完成物理设计。

1.2国内外研究情况

热阴极微波电子枪首先由美国斯坦福大学J. M. J. Madey教授及其研究生G. A. Westenskow等人在1984年发明的，1987年取得美国专利，随即用于自由电子激光装置作为注入器，取得良好的效果。经过十年来的发展，它除做为注入器使用外，还可做成小型电子加速器、红外一远红外光源等应用。

2.1 基本内容

1.了解自由电子激光相关背景知识，学习电子束注入器相关知识，如注入器基本构成、分类，和相关理论，并且掌握电磁场计算软件Superfish；

2.完成1.6Cell微波电子枪的初步建模，以及电磁场计算；

3.掌握束流动力学软件Parmela或Astra，完成光阴极微波电子枪的束流计算，重点在寻找最佳发射度和能散度；

4.完成热阴极微波电子枪的束流计算，重点在寻找最佳俘获率和能散度；

5.加工模型腔，并冷测。

2.2 技术方案

2.2.1 注入器的分类、构成

FEL装置加速段前面的阴极系统、电子枪、聚束系统可以称为预注入器；目前常用作电子束预注入器的器件按照电子加速原理的不同可分为直流高压电子枪和利用髙频微波场加速的微波电子枪；根据电子发射机制不同又可分为热阴极电子枪、光阴级电子枪以及场致发射电子枪。而用FEL于装置的电子枪主要是热阴极直流电子枪、热阴极微波电子枪、光阴级直流电子枪、光阴级微波电子枪，还有阴极超导电子枪和行波高频枪。其中，微波电子枪比常规的直流枪具有显著的优越性。因为在波段的微波腔中，场强可达数十兆伏特每米，甚至上百兆伏特每米,可以将电子在短距离内迅速加速，很大程度上减小了空间电荷效应对电子束性能的影响。此次设计主要研究光阴极微波电子腔和热阴极微波电子枪。

2.2.2 1.6Cell谐振腔电磁场的仿真与计算

波导是一种用来定向引导电磁波的结构,在波导的两端用导电板短路而构成的封闭腔体称为谐振腔。腔内的电磁场可根据谐振腔的边界条件求解麦克斯韦方程组而得出，它是一组具有一定正交性的电磁场模式的叠加。按波导两端被短路的观点，腔内的电磁场可以认为是波在腔壁上来回反射而形成的驻波场。当腔长等于某种模式的1/2波导波长整数倍时,该模式发生谐振，称为谐振模。TM010模式的场结构中，电场只有Z轴方向的分量，利用TM010模的场分布特性，中心轴上电场仅存在纵向分量，可用于有效加速轴向运动的电子。

接下来，将运用superfish软件，构建1.6Cell的谐振腔模型（因为是圆柱形结构，可以只构建纵向的一半模型），然后添加驱动点（引起谐振腔按照特定频率谐振），从而分析1.6Cell谐振腔的电场分布。

2.2.3 光阴极微波电子枪和热阴极微波电子枪的束流计算

光阴级微波电子枪的工作原理是：阴极在极短激光脉冲的照射下，因光电效应而发射电子束，然后被发射的电子束在高频加速场作用下被拉离阴极表面，并快速地被加速到相对论速度。

热阴级微波电子枪原理是：通过提高阴极温度以发射电子，然后依靠高频驻波场中电子的自聚束效应产生短束团，加速后再利用磁压缩系统来实现束团的进一步聚焦。

束流计算涉及到一些参数。发射度:当一束粒子(束流)在加速器的真空盒里向前运动时,束中的粒子在垂直于前进方向的横向平面中有一个空间分布范围,即有一定尺寸，先前运动时,还有一定的张角(角散度)。发射度定义为束流尺寸与张角的乘积,单位是mm.mrad，用来表征电子注的品质；能散度表示束流中带电粒子能量不均匀的程度。

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