直线加速器物理-Pa

Grid voltage Repetition Rate
Unit
BEPCII
EIMAC Y796
A
10
ns
1 (FWHM)
µm
14
Gun
kV
150200
Pulse / 3μs
V/A 6 8 / 5 7.5
V
0~250
Hz
50
200 kV
HV supply
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5
电子枪出口纵向束流分布 （150 KeV）
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2
电子枪基本原理一般都是加热阴极，使其发射电子，然后电子 在极间高压的作用下加速，通过阳极上的小孔射出。现在一般 比较常用的常规电子枪是栅控电子枪。在离阴极很近的地方安 装一个栅极，改变栅极调制电压可以很方便的调节枪电流，从 而获得陡峭的电流脉冲。
一般要求电子枪能够提供有一定聚束的，小发射度的，大流强的 束流。可使用EGUN程序模拟计算进行设计。
ERL: Energy Recovery Linac
BINP：Budker Institute of Nuclear Physics，Russia
JAERI：Japan Atomic Energy Research Institute
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10
JLAB高压直流型电子枪
高压直流型电子枪，技术相对成熟，电子枪本身结构简单，可以获得非 常好的真空，GaAs阴极在此真空环境下可以有相对较长的寿命。但是加 速梯度低（<7MV/m）、场致发射、枪内打火、隔离陶瓷击穿、离子反轰 阴极一直是高压直流型电子枪待解决的问题。同时，因为加速梯度低， 为减小空间电荷效应引起的发射度增长，枪内电子脉冲必须足够长，这 就需要在电子枪后加聚束器压缩束团，而且需要利用加速组元进一步提 高束团能量。
JLAB: Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab)
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11
超导微波电子枪以德国的Rossendorf超导微波电子枪为代表。因为腔体
置于低温环境，可以保持高真空度。枪内加速梯度峰值已经实现20MV/m，
有利于对空间电荷效应的抑制，Rossendorf超导微波电子枪采用3.5cell
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6
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7
BEPCII-Linac
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8
NSC KIPT 100MeV 100kW 电子直线加速器电子枪参数
Items
Type Beam Current（max） Anode Voltage Filament Voltage Filament Current Grid Bias Bunch length Repetition Rate (max)
强流电子枪示意图
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3
导流系数Cp：
Cp
I V 3/2
其中I是电子注电流，V是注电压。
当电极形状一定时，在一般情况下，导流系数是一个常数，与 温度无关，导流系数的大小表示电子枪发射电子的能力强弱， 也反映了电子束空间电荷效应程度以及电子枪的结构和尺寸。
单位：P（泊，朴），P
强流：Cp>0.1 P 弱流：Cp0.1 P
2.6 电子直线加速器的预注入器
电子直线加速器应用广泛： 作为同步加速器、同步辐射光源和正负电子对撞机的注入器； 放射性治疗用加速器； 正负电子直线对撞机。 所有这些电子直线加速器在开始部分都有一段预注入器作为整个直 线加速器的起始，预注入器虽然因机器的不同而有所不同，但结构 和功能都基本相同，通常是由电子枪和聚束系统组成。
预注入编辑器课件示意图
1
电子枪分类： 直流电子枪，脉冲电子枪（脉冲长度从1ns到几s ） 强流电子枪（安培量级），弱流电子强（毫安量级） 传统电子枪，新型电子枪（热阴极微波电子枪，光阴极微波电子枪， 极化束电子枪等）
BEPC电子枪：峰值流强4A，脉冲宽度2.5ns，重复频率12.5Hz。 BEPCII电子枪：峰值流强10A，脉冲宽度1ns，重复频率50Hz。
（2）短脉冲、低发射度的电子枪
与储存环同步辐射光源相比，ERL能够产生高品质的电子束流，即脉 冲长度短至ps、亚ps量级，归一化发射度可小于2 mmmrad。现在已 经运行的BINP－ERL装置和JAERI－ERL装置采用的是热阴极直流高 压枪，束流发射度在30 mmmrad左右，JLAB－ERL装置采用的光阴 极高压直流注入系统，束流品质得到极大提高，束流发射度减小到10 mmmrad以下。正在设计中的ERL装置，束流发射度的设计目标均在 1 mmmrad左右。
结构，在枪出口直接得到几个MeV的能量。不需要聚束器，不需要加速
组元进一步提高能量。但是系统复杂，造价高。非超导的阴极材料置于
超导枪内，超导部分与非超导部分需要严格隔离，阴极材料是否对超导
腔造成污染，提高流强就需要提高馈入的激光能量，是否会引起失超等
等一直是人们担心的问题。
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12
低频率（几百MHz）的常温微波枪，与超导微波枪相比，结构相对简 单，造价低，有诸多S波段和 L波段高频微波枪运行。因为频率低，微 波周期长，驱动激光可以长达几十个ps，几十个ps的电子束团感受到 近似直流高压的加速，可以极大的减小空间电荷效应的影响。同时与 高压直流枪相比，加速场梯度大，枪后不需要加速组元进一步加速。 但是常温微波电子枪需要在连续模式下运行，腔体的散热问题和高真 空如何实现、能否保持是此类电子枪的最大问题。
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4
E-Gun for BEPCII-Linac
(high current and small emittance )
Parameters Cathode
Beam current Pulse length Emittance (norm.)
Accelerating voltage Heater volt. /current
Units Specifications
Triode
A
2
Baidu Nhomakorabea
kV
~120
V
6.4
A
5.5
V
50 500
s
3.0
Hz
625
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9
能量回收型直线加速器（ERL） 对电子枪的要求：
（1）高平均电流
在俄罗斯的低频常温装置BINP上，得到20mA的电子束流，在美国 JLAB的1.3GHz光阴极、超导ERL设备上已经得到9.1mA的束流。高 平均电流，就要求加速器必须工作在CW（Continuous Wave）模式， 或者长脉冲模式。100mA的平均流强成为当前研制ERL的目标。