一种双模式新型超导光阴极注入器的研究

低发射度、高重复频率电子束对能量回收加速器（ERL）、高平均功率自由电子激光（FEL）等大科学工程至关重要。注入器是获得所需电子束最关键部件之一。针对低发射度、高重复频率注入器这一国际研究热点，本项目提出一种双模式新型超导光阴极注入器结构，核心为一个TEM模四分之一波长超导腔(QWR)和一个TM模高β椭球超导腔，QWR腔为电子引出结构，椭球超导腔为电子束的增能腔。该注入器结构发挥了超导腔可加速强流电子束的优点，规避了获取～500kV直流高压的难点，且能利用谐振高压达到设计要求，使注入器具有提供强流、低发射度电子束的能力。本项目将开展两种超导腔的优化设计与相互匹配、光阴极与QWR超导腔的兼容性、强流超导腔高阶模的抑制等研究工作。通过本项目研究，完成新型注入器的物理设计和结构设计，并解决其关键物理与技术问题，为提高强流注入器的水平做出贡献，也为我国未来建造ERL等新一代光源提供人才和技术储备。

低发射度、高重复频率注入器是加速器领域的研究热点和难点，注入器能否提供品质良好的电子束是能量回收加速器（ERL）、高平均功率自由电子激光（FEL）等成功获得相干性好、谱纯度高、亮度高辐射光源的关键。低发射度电子束不仅利于束流加速和传输，还可以减小扭摆器和加速器的长度，从而减小大科学装置的规模和造价，高重复频率可以提供多用户装置及能量回收等达到高效率的目的。本项目提出了以一个四分之一波长谐振超导腔（QWR）和一个椭球形超导腔为核心的双模式新型超导（SRF）光阴极注入器。QWR超导腔作为引出电子枪，频率为325MHz，椭球形腔为1.3GHz类似TESLA型的超导腔，作为增能腔。项目任务是完成该新型注入器两种超导腔的设计，解决此超导腔的关键物理问题，所设计的注入器能够提供发射度低于1mm·mrad、平均流强几十甚至上百mA、能量达到5MeV的高品质束流。项目研究组从束流动力学匹配、微波性能、射频超导性能、次级电子倍增（MP）抑制等多方面考虑，完成了该注入器的核心部件的物理设计和结构设计，并在模型腔上做了相应的实验研究，着重解决了该复合型SRF注入器的几个关键难题：常温光阴极与超导腔的兼容性问题；避免带光阴极杆的QWR超导腔的硬性MP障碍；强流超导腔的高阶模（HOM）抑制；两种超导腔的束流匹配与同步控制问题等。通过三年的研究，完成了申请书的研究任务，所设计的注入器可以提供能量5 MeV,电荷量300 pC（平均流强可达几十甚至上百mA）CW运行，发射度0.75 mm·mrad的电子束流，达到了设计指标，可以满足ERL及高平均流强FEL对注入器的要求。本项目的研究工作将为提高强流注入器的水平做出贡献，同时也为我国未来建造基于加速器的ERL光源或者高平均功率FEL等大型科学装置提供技术和人才储备，并提高我国的科技地位。通过该基金项目的研究，获得授权发明专利一项，发表国际会议文章两篇，SCI文章一篇。