Design and numerical simulation of thermionic electron gun
本文报道了电子枪的模拟计算。研究了一些参数对光束质量的影响，并确定了最佳选择。给出了普通静电三极管电子枪的数字束流质量，并显示了电极几何形状和电极偏置电压等设计参数的依赖关系。模拟过程采用直径为5 mm、能量为5千电子伏的电子束。在空间电荷存在的情况下，一些设计参数被确定为可变参数。这些参数包括发射电极的倾斜角度、聚焦电极的施加电压、发射电极与聚焦电极之间的间隙宽度以及聚焦电极的直径。利用CST粒子束模拟软件对抽气系统进行了优化设计。本文给出了萃取系统的物理设计。从模拟结果可以看出，发射极的倾角最佳为22.5 °，聚焦极的外加电压最佳为-16V，发射极与聚焦极的间距为4 mm，发射极的直径为14 mm。
2015-09-20 physics.acc-ph
Demonstration of Cathode Emittance Dominated High Bunch Charge Beams in a DC gun-based Photoinjector
我们提出的结果的横向发射度和纵向电流分布测量的高聚束电荷（大于或等于100 pC）在DC枪为基础的康奈尔能量恢复直线加速器光注入器产生的光束。特别是，我们表明，阴极热和核心束流发射度占主导地位的最终95%和核心发射度测量在9-9.5兆电子伏。此外，我们展示了优化的3D空间电荷模拟和测量之间的良好协议，并表明横向激光分布的质量限制了最佳的模拟和测量的发射度。这些结果，以前认为只有用RF枪才能实现，表明基于DC枪的光注入器能够提供具有足够的单聚束电荷和光束质量的光束，适用于许多当前和下一代加速器项目，例如能量恢复直线加速器（ERL）和自由电子激光（FEL）。
2015-01-16 physics.acc-ph
Commissioning of the Low Energy Electron Gun Test Stand at the University of Chicago
本文介绍芝加哥大学为费米实验室IOTA电子透镜项目搭建的低能电子枪测试台，用于验证热阴极电子源及空心束源特性，并报告调试结果。
2023-07-05 physics.acc-ph
Continuous-Wave Operation at 30 MV/m of a Superconducting Radio-Frequency Gun Cryomodule with an Exchangeable Cathode Plug
Michigan State University（密歇根州立大学）；SLAC National Accelerator Laboratory（SLAC国家加速器实验室）；Argonne National Laboratory（阿贡国家实验室）；Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf e.V.（德累斯顿-罗斯多夫亥姆霍兹中心）；Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室）
针对LCLS-II-HE低发射度注入器，开发了185.7 MHz SRF电子枪低温模块，采用可更换阴极插头系统，在30 MV/m阴极场下实现连续波运行，且插头更换后性能无退化，显著优于以往系统。
2026-10-05 physics.acc-ph
Experimental demonstration of dark current mitigation by an over-inserted plug in a normal conducting VHF gun
针对高重复频率FEL用常温连续波VHF电子枪的暗电流问题，通过阴极区优化、模拟及实验验证，证实过插入式阴极塞可使不同加速间隙的VHF枪暗电流降低两个数量级以上。
2024-11-04 physics.acc-ph
Automated Operation of the APS LINAC using the Procedure Execution Manager
先进光子源（APS）直线加速器有两个电子阴极射频枪和一个光阴极射频枪。电子枪主要用于APS操作，而光阴极枪用作自由电子激光（FEL）驱动器。由于每个喷枪需要不同的网格和定时配置，因此需要在喷枪之间快速切换，这对加速器操作员提出了很高的要求。使用程序执行管理器（PEM），一个用于管理自动化程序的软件环境，我们使直线加速器系统的启动和切换变得更容易和更可靠。PEM是用Tcl/Tk编写的图形用户界面，允许用户调用“机器过程”并控制其执行。它允许以分层、并行的方式构建过程，这有助于高效的执行和开发。在本文中，我们将讨论PEM环境的特点和优势，以及我们的APS直线加速器的程序的细节。
2000-08-16 physics.acc-ph
Design of an electron gun for terahertz radiation source
为了获得用于太赫兹辐射源的具有高峰值电流的短脉冲聚束，采用了EC-ITC（外部阴极独立可调谐单元）RF枪。栅控直流电子枪作为ITC电子枪的外注入电子源，起着关键作用，它的性能决定了注入线和输运线的束流质量。为了使电子束在ITC电子枪中得到很好的压缩，从栅控直流电子枪中获得的电子能量最多为15 KeV。采用适当的栅控电子枪结构，克服了阴极上强的空间电荷力，在4.5A电流下成功地产生了6 μs的电子束。
2013-06-03 physics.acc-ph
Physical design of FEL injector based on performance-enhanced EC-ITC RF gun
为满足高性能太赫兹自由电子激光（自由电子激光）的要求，提出了一种紧凑型自由电子激光注入器方案。采用热阴极代替结构复杂、成本高的光电阴极进行电子发射。采用增强型EC-ITC（External Cathode Independently Tunable Cells）射频电子枪提取微束团，有效束团电荷提高到~ 200 pC，同时基本消除了背轰击效应。设计了恒梯度加速器结构，将能量提高到~ 14 MeV，采用聚焦系统抑制发射度，维持束团状态。对自由电子激光注入器关键部件的物理设计和束流动力学进行了分析。利用MATLAB和Parmela软件进行了多脉冲下的仿真。结果表明，该方法可以稳定地获得连续的高亮度电子束团，同时具有较低的能散和发射度。
2013-06-01 physics.acc-ph
Nanometre-scale emittance beams from a continuous-wave RF gun
超快电子衍射仪（UED）和自由电子激光（FEL）的工作依赖于射频（RF）光阴极枪产生的高亮度电子束。下一代高重复率UED和FEL需要具有高平均亮度的电子束。为此，我们引入了一种具有类似APEX几何结构的325 MHz连续波RF光阴极枪。该电子枪允许产生具有非常高的峰值和平均5D亮度的电子束，同时具有适度的RF功耗。电子枪工作在井喷状态，能量增益为0.4 MeV，峰值阴极场为35 MV/m。通过大量的数值模拟，我们验证了枪操作的三种制度：（i）160 fC电子束与5 nm尺度的发射度的UED，（ii）1.6 pC光束与20 nm尺度的发射度的台式自由电子激光器和基于介质的加速器，和（iii）16 pC光束与50 nm尺度的发射度的逆康普顿源和其他基于加速器的光子源。我们介绍了一个简单的分析模型形成的虚阴极-发病的抑制光电流由于空间电荷力。该模型考虑了激光脉冲持续时间。此外，我们广泛的数值模拟表明，一个非常明显的最大值在5D光束亮度的激光光斑半径约150%，对应于虚阴极的发病。这一发现不支持文献中的常见方法，即在井喷状态下，激光光斑半径必须远大于对应于虚阴极起始的临界半径。
2021-05-17 physics.acc-ph
Development of a continuous-wave photocathode very-high-frequency electron gun for $\rm S^3FEL$
Tsinghua University（清华大学）
清华大学为S3FEL研制了216.667 MHz连续波VHF电子枪，优化腔体实现29.9 MV/m阴极梯度和856 kV加速电压，暗电流仅6.8 nA，打破室温VHF枪电压纪录。
2026-10-07 physics.acc-ph
The effect of space charge on photon-enhanced thermionic emission in the presence of the bidirectional discharge
本文研究PETE器件中的双向空间电荷效应，通过耦合电子回收、能量平衡与阴阳极同时放电模型，明确了反向放电显著影响净电流的运行条件，为器件优化提供指导。
2024-10-25 physics.acc-ph physics.app-ph
High voltage DC gun for high intensity polarized electron source
强流极化电子源是未来核物理装置的关键部件。电子离子对撞机（EIC）需要极化电子枪，与任何现有的极化电子源相比，它具有更高的电压和更高的聚束电荷。在布鲁克海文国家实验室，我们已经建立了一个倒置的高压直流（HVDC）光电发射枪与一个大的阴极尺寸。我们报告的GaAs光电阴极的性能，在高梯度高达16 nC的束流电荷。测量是在300 kV的稳定工作间隙电压下进行的-证明了出色的寿命和鲁棒性。我们观察到明显的寿命增加偏置阳极。该枪还集成了阴极冷却系统，可用于高电流电子源。在这种极化高压直流电子枪中实现和展示的各种新功能为未来的高强度高平均电流电子加速器设施打开了大门。
2021-12-06 physics.acc-ph
In situ Observation of Dark Current Emission in a High Gradient RF Photocathode Gun
不期望的电子场发射（a.k.a.暗电流）恶化了光电发射电流的质量并限制了操作梯度。为了提高对暗电流发射的理解，在工作于~100 MV/m表面梯度的L波段光阴极枪中进行了高分辨率（~100 μ m）暗电流成像实验。已经观察到来自阴极的暗电流由几个分离的强发射体主导。测量了阴极上选定区域的场增强因子β。后扫描电子显微镜（SEM）和白光干涉仪（WLI）的表面检查揭示了约75%的强发射源的起源与射频击穿发生的点重叠。
2016-04-14 physics.acc-ph
Interleaving Lattice for the APS Linac
为了实现和测试先进的加速器概念和硬件，束线正在重新配置的直线加速器扩展区（LEA）的APS直线加速器。安装在APS直线加速器开始的光阴极射频电子枪将向LEA束线提供低发射度电子束。用于APS储存环的回旋加速器RF枪束和用于LEA束线的光阴极RF枪束将以交错的方式通过直线加速器加速。本文介绍了在APS直线加速器中实现交错格的设计研究和初步的实验结果
2017-08-31 physics.acc-ph
Topological Cathodes: Controlling the Space Charge Limit of Electron Emission Using Metamaterials
光电阴极发射的空间电荷极限（SCL）为高场和低场电子枪的性能设定了上限。一般来说，人们被迫在空间电荷极限和阴极的固有发射度（I）之间达成妥协。Bazarov等人，物理学评论快报，102，104801（2009））。然而，有可能通过设计阴极表面的形貌来几乎消除由于镜像电荷引起的SCL。表面等离子体频率低于加速电子的频谱的阴极将大大减少聚束的图像电荷或阴极的极化，导致小的图像电荷场。从而减轻阴极的空间电荷限制。在这里提出的工作中，一个理论的图像电荷从阴极表面被加速的磁盘所产生的电荷场的发展，包括表面介电函数的频率依赖行为上看到的束场。本文应用这一理论，以减轻SCL的一种新的阴极基于线阵列超表面。它示出，这样的偏阴极应具有可忽略不计的光电，电子和场致发射的空间电荷限制。
2019-02-21 physics.acc-ph
Characteristics of dark current from an S-band rf gun with exchangeable photocathode system
本文研究了CLARA 3GHz 2.5 cell可更换光阴极电子枪的暗电流特性，通过闪烁屏图案分析和有限元模拟识别暗电流发射源，为优化枪和阴极设计以最小化暗电流提供依据。
2025-07-14 physics.acc-ph
An injector for the CLIC test Facility (CTF3)
CLIC测试设施（CTF 3）是一个中间步骤，用于证明CLIC新RF功率源关键概念的技术可行性。CTF3将使用能量范围从170 MeV（3.5 A）到380 MeV（低电流）可调的电子束。该注入器是基于一个电子枪，其次是一个经典的聚束系统嵌入在一个长螺线管字段。作为一种替代方案，还在研究一种射频光电注入器。对如何在注入器出口处达到严格的束流参数进行了束流动力学研究。用EGUN程序进行的模拟表明，在电子枪出口处发射度小于10 mm.mrad的情况下，可以获得7 A的电流。PARMELA的结果，并在注射器出口处的要求的光束性能进行比较。预见了次谐波聚束器（SHB），以将聚束串的相位从偶数RF桶切换180度到奇数RF桶。讨论了电子枪和具有快速相位开关的SHB的具体问题。
2000-08-15 physics.acc-ph
Production And Studies Of Photocathodes For High Intensity Electron Beams
对于短的高强度电子束团，碱金属碲化物已被证明是一种可靠的光电阴极材料。寿命的测量在一个RF枪的CLIC测试设备II在场强大于100 MV/m。用光学参量振荡器测量了Cs-Te和Rb-Te阴极在该电子枪中使用前后的光谱响应。这两种材料的行为都可以用Spicer的三步模型来描述。在使用过程中，Cs-Te的光致发射阈值向更高的光子能量移动，而Rb-Te的光致发射阈值没有改变。我们的最新调查的化学计量比的组成部分。用320 nm波长的光监测光电阴极的制备，目的是提高测量灵敏度。综述了CsBr对Cs-Te阴极表面污染防护的最新研究结果。提出了高平均电流产生的新研究。
2000-08-15 physics.acc-ph
Nanoseconds field emitted current pulses from ZrC needles and field emitter arrays
电子源的特性决定了诸如自由电子激光（FEL）等直线加速器中光束质量的极限。目标是研制一种束流发射度低于现有技术水平的电子枪，以降低X射线自由电子激光（XFEL）的成本和尺寸。本文提出了两种可能产生低发射度电子束的场发射阴极概念。这种阴极的第一个挑战性参数是发射高达5A的峰值电流。这是Paul Scherrer研究所对XFEL概念的最小电流要求。1场发射阵列（FEA）和单针阴极分别达到了0.12 A和0.58 A的最大电流。激光辅助场致发射给出了令人鼓舞的结果，以达到甚至更高的峰值电流和预聚束的光束。
2006-02-01 physics.acc-ph
Building a Start-to-End Model of the CESR Injector Linac
Cornell Laboratory for Accelerator-Based Sciences and Education（康奈尔加速器基础科学与教育实验室）；University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）
该研究构建了CESR注入器直线加速器的端到端模型，采用WarpX、Geant4、Impact-T等开源工具模拟各环节，实现了正电子加速至250MeV，可通过Xopt优化配置。
2026-08-06 physics.acc-ph
Thermal Emittance Isolation by Cathode Retraction
本文提出将阴极回撤与双缝发射度测量技术结合，以隔离并直接测量电子束热发射度，并在LCLS-II-HE低发射度注入器上验证了该方法可生成高分辨率相空间分布图，同时证明阴极回撤可作为优化光注入器性能的额外工具。
2024-09-05 physics.acc-ph
Demonstration of Planar Ultrananocrystalline Diamond Field Emission Source Operating in SRF Injector at 2 Kelvin
本文报道了在2K工作时，在装有场发射阴极的SRF TESLA 1.3GHz电子枪中产生电子束的第一次演示。阴极是沉积在Nb RRR 300阴极塞上的氮结合超纳米晶金刚石[（N）UNCD]的亚微米膜。输出电流被测量为作为腔梯度的函数呈指数增加。我们的研究结果表明，简化的全低温SRF注射器技术的可行途径。一个重要的发现是，由（N）UNCD制成的电子发射器，一种长期以来被称为高效场发射材料的材料，表现出创纪录的低开启梯度0.6 MV/m。提出了解释这种行为的假设。
2020-03-21 physics.acc-ph
Optimal neutralization of negative space charges in photon-enhanced thermionic emission devices under bidirectional discharge
本研究通过模型创新，纳入正离子注入与双向放电效应，揭示了PETE器件中空间电荷中和的最优条件，为器件设计优化提供理论基础。
2025-02-25 cond-mat.stat-mech physics.acc-ph physics.app-ph
Planar Ultrananocrystalline Diamond Field Emitter in Accelerator RF Electron Injector: Performance Metrics
在射频1.3GHz电子枪上对掺氮超纳米金刚石（N）UNCD平面场发射阴极（FEC）的性能进行了研究。FEC是在具有Mo缓冲层的20 mm直径不锈钢盘上生长的100 nm（N）UNCD膜。在45-65 MV/m的表面梯度下，达到1-80 mA的峰值电流（相当于0.3-25 mA/cm $^2$）。用两个YAG屏幕成像证实了来自（N）UNCD表面的发射，其中（1）射束流发射度为1.5 mm $\times$ mrad/mm-rms，以及（2）在2 MeV的电子能量下，纵向FWHM和rms能量扩展为0.7%和11%。在36个$\times$ × 10 $^3$ RF脉冲（相当于288个$\times$ × 10 $^6$ GHz振荡）的过程中测试电流稳定性。
2014-10-21 cond-mat.mtrl-sci physics.acc-ph
