紧凑型自由电子激光装置中基于矩形偏转腔的束流诊断研究

The fourth generation light sources, such as the free electron lasers (FEL), have made great success in the micro and high speed detection area in recent years. Accordingly, the RF deflector based method is recognized as the most promising technique for its high time resolution and stability for the longitudinal diagnostics of electron bunch in a FEL facility. Unfortunately, cylindrical deflectors which are widely used at present suffer from the degeneration problem. So the rectangular deflector is proposed since the degeneration problem can be easily eliminated by setting the aspect ratio not to be one. Moreover, for a rectangular cavity operated in the TM120 mode, the resonant frequency is independent from its longitudinal dimension, indicating the Pi mode is not necessary for a single cell structure. Then the transverse and longitudinal dimensions of the cavity can be optimized separately to find the optimal solution when the transverse shunt impedance or deflection efficiency is considered. Besides, this project will design an S-band rectangular deflector based bunch length measurement system for a compact terahertz FEL facility. The system, operated with a RF power source of 1 MW, is expected to be less than 1 m in longitudinal size and achieve a time resolution better than 150 fs for beam energy around 10 MeV. This project will bring up an important electron bunch diagnostic method for compact FEL facilities by the research and related experimental works of the rectangular deflector.

近年来，以自由电子激光（FEL）为代表的第四代光源已在微观高速检测领域获得巨大成功。相应地，在FEL超快电子束纵向检测领域，高频偏转腔法被认为是在时间分辨率和系统稳定性上最具竞争力的测量手段。但常用的圆柱形偏转结构不可避免地存在简并模式分离问题，对此，本项目提出了矩形偏转结构。又由于矩形腔TM120模式下谐振频率与纵向尺寸无关，可以放弃传统多腔结构下的Pi相移模式，针对单腔结构对横、纵向尺寸分别予以优化，期望找到横向分路阻抗或偏转效率的理论最优解。本项目还将具体针对一台基于直线加速器的紧凑型自由电子激光太赫兹源，设计一套基于S波段矩形单腔偏转结构的束团纵向测量装置，期望在1MW馈入功率下、1m纵向空间内，实现对能量10MeV左右的电子束分辨率好于150fs的纵向分布测量。本项目将通过矩形驻波偏转结构的物理设计、工程实现以及实验测量，为紧凑型FEL装置中的超快电子束提供重要检测手段。

相对论电子束的纵向参数测量对基于直线加速器的自由电子激光装置调试有重要意义，也是华中科技大学在建的太赫兹自由电子激光装置（THz-FEL）目前面临的主要技术挑战之一，并且由于该THz-FEL装置采用热阴极电子枪，也面临束团尾部过长、下游传输束损大等热阴极的共性问题。本项目依托该装置，针对紧凑型环境下电子束的纵向参数测量与操控这一难题，从两方面进行了技术创新和工程探索：.（1）针对传统的圆柱形偏转腔易出现模式简并的问题，提出了矩形偏转结构，矩形腔体截面自身具有非轴对称性，在长宽比非1时可以自然实现模式分离，无需额外引入非对称结构，使得腔体设计过程大为简化。本课题针对该THz-FEL装置，综合考虑束流传输管道、耦合器等关键器件的影响，设计优化了一套矩形偏转腔系统，并完成了试验腔体加工和基于拉珠法的微波测试，冷测结果表明腔体偏转电压的设计值与测试值偏差小于1.3%，为后续实用腔体的设计和加工奠定了坚实基础。.（2）基于矩形偏转腔结构，提出了“一腔两用”的工作方案，偏转腔配合荧光屏时，可实现在0.1MW驱动功率下3ps的时间分辨率，用于电子枪输出束团的纵向长度测量，从而指导聚束腔的微波参数调节；偏转腔配合刮束器时（刮束器尺寸12mm*10mm），可有效剔除束核以外的无用粒子，起到束流清洁作用，优化设计结果表明刮束后加速管输出的束流能量提高了11%，能散度从27.0%下降到0.7%。该方案不仅为紧凑型太赫兹源提供了有效的束流诊断和调节手段，也为机器的安全稳定运行提供了有力保障。