ЭКСПЕРИМЕНТ APEX:

РЕЗУЛЬТАТЫ

ПЕРВОНАЧАЛЬНОГО ПУСКА

 

Д. Филиппетто†, Б. Бейли, К. Баптист, Дж. Корлетт, К. Корк, С. Де Сантис, С. Димаггио, Л. Дулиттл, Дж. Дойл, Г. Хуанг, Т. Крамаж, С. Квятковски, Р. Леллингер, В. Мороз, У.И. Норум, К. Паппас, К.Ф. Пападопулос, Дж. Портманн, К. Погью, Ф. Саннибейл, Дж. Степлс, М. Винко, Р. Уэллс, М. Золоторев, Ф. Зукка, Национальная лаборатория имени Лоуренса в Беркли, штат Калифорния, 94720, США

АННОТАЦИЯ

Эксперимент по передовым фотоинжекторам (APEX), проводимый в Национальной лаборатория имени Лоуренса в Беркли (LBNL), посвящен разработке инжекторов электронов с частотой следования порядка мегагерц, с высокой яркостью, для применения в рентгеновских лазерах на свободных электронах (ЛСЭ). Инжектор реализован на основе фотокатодной пушки, разработанной по новой концепции, с использованием РЧ-резонатора на 186 МГц, работающего при комнатной температуре в режиме непрерывного излучения, в сочетании с полупроводниковыми фотокатодами с высокой квантовой эффективностью, способными обеспечить необходимый заряд с частотой следования, согласующейся с промышленными лазерными технологиями.

Эксперимент APEX организован в виде трех основных фаз. На фазе 0 демонстрируется несколько важных контрольных точек проекта: выдерживание резонатора пушки до полной РЧ-мощности в режиме непрерывного излучения с целью демонстрации требуемого поля на катоде; определение характеристик вакуума пушки, влияющих на срок службы фотокатодов; испытания нескольких различных фотокатодов при полной частоте следования и при номинальной энергии пушки 750 кэВ. На фазе I исследования катода продолжаются с новым набором средств диагностики пучка, добавленных с целью определения характеристик пучка электронов при заданной энергии пушки и при полной частоте следования. На фазе II будет добавлен импульсный линейный ускоритель для ускорения пучка до нескольких десятков МэВ с целью уменьшения эффектов пространственного заряда и измерения характеристик высокой яркости для пушки при ее встраивании в схему инжектора. В настоящее время происходит пуск фазы 0, и в данной статье представлены первые экспериментальные результаты этой фазы.

 

ВВЕДЕНИЕ

Недавно была предложена [1, 2, 3, 4] конструкция нескольких установок, обслуживающих большое количество независимых ЛСЭ, на основе линейных ускорителей, с частотой следования порядка мегагерц; эта разработка поддерживается высоким спросом со стороны пользователей ЛСЭ [5] и должна обеспечить возможность расширить характеристики ЛСЭ на диапазон мегагерц и далее, предусматривая эксперименты, где требуются большие статистические выборки, и резко уменьшая время, необходимое для проведения экспериментов.

Проект APEX направлен на конструирование и испытание фотопушки с высокой частотой следования (порядка мегагерц), с высокой яркостью, способной создавать сгустки с уровнем яркости, достаточно высоким для возбуждения рентгеновского ЛСЭ, но со средним током в 104 раз выше, чем у современных РЧ-пушек. Оказавшаяся успешной технология нормальной проводимости, высокой частоты (свыше 1 ГГц) и высокой яркости, используемая в современных РЧ-пушках с низкой частотой следования для рентгеновских ЛСЭ [6], не может быть, однако, масштабирована для частот следования, превышающих величину около 10 кГц, так как тепловая нагрузка, обусловленная омическими потерями в резонаторе пушки, становится слишком высокой и не может быть рассеяна системой охлаждения [7]. В различных странах мира исследуется множество альтернативных схем электронных пушек и технологий с целью достижения требуемой яркости при высоких частотах следования [8], но в настоящее время ни одна из них не продемонстрировала соответствия необходимому набору требований [9].

Эксперимент по передовым фотоинжекторам APEX [10] направлен на заполнение этого пробела путем разработки пушки и инжектора, способных обеспечить требуемые характеристики. Пушка, разработанная на основе новой концепции [11, 12], изготовлена, и недавно завершена первая фаза ее пуска. Все контрольные точки, включенные в эту часть проекта, были успешно достигнуты, и в данной статье приводятся результаты соответствующих испытаний.

 

APEX – ЭКСПЕРИМЕНТ ПО ПЕРЕДОВЫМ ФОТОИНЖЕКТОРАМ

APEX представляет собой инжектор электронов, построенный на основе РЧ-фотопушки, которая, в свою очередь, основывается на надежных и отработанных механических и радиочастотных технологиях. «Ядром» пушки является медный РЧ-резонатор нормальной проводимости, работающий в режиме непрерывного излучения в ОВЧ-диапазоне при частоте 186 МГц. Частота выбирается таким образом, чтобы она была близка или к седьмой субгармонике частоты 1,3 ГГц, или к восьмой субгармонике частоты 1,5 ГГц, обеспечивая совместимость работы пушки с обеими основными технологиями сверхпроводящих линейных ускорителей электронов, существующими в настоящее время [13, 14].

На рисунке 1 показано полученное методами компьютерного проектирования поперечное сечение резонатора с его основными компонентами, а в таблице 1 приведены основные проектные параметры ОВЧ-пушки, выбранные таким образом, чтобы удовлетворять требованиям, приведенным в справочном документе [9]. Резонансная структура меди охвачена кожухом из нержавеющей стали, обеспечивающим необходимую механическую жесткость и надлежащую вакуумную оболочку. Никаких регуляторов плавной настройки не используется: требуемая настройка частоты обеспечивается механической системой, слегка проталкивающей или втягивающей стенку резонатора со стороны отверстия для выхода пучка. Подача РЧ-мощности производится через два соединителя на магнитных контурах, расположенных диаметрально напротив задней стенки катода резонатора. Система блокировки вакуумной нагрузки, основанная на разработке Национального института ядерной физики Италии (INFN) [15] (использовавшейся в установках FLASH (Гамбургский лазер на свободных электронах) и PITZ (Установка для испытаний фотоинжекторов) в Германии), позволяет выполнять замену фотокатодов и/или их выдерживание без нарушения вакуума в пушке.

 

Рисунок 1: Поперечное сечение ОВЧ-пушки APEX с основными компонентами

 

Таблица 1: Основные проектные параметры ОВЧ-пушки

ПараметрЧастота (МГц)Режим работыНоминальная энергия пучка (МэВ)Поле на катоде во время эмиссии (МВ/м)Добротность идеального проводника (Q0)Параллельный импеданс (МОм)Номинальная РЧ-мощность для Q0 (кВт)Накапливаемая энергия (Дж)Максимальное поверхностное поле (МВ/м)Максимальная плотность мощности стенки (Вт/см2)Ускоряющий промежуток (см)Внутренний диаметр резонатора (см)Длина резонатора (см)Рабочее давление (торр)Значение186Непрерывное излучение0,7519,47309006,587,52,324,125,0469,435,0~10-11

Более подробные сведения о пушке имеются в других источниках [10, 11, 12], а здесь нам бы хотелось только отметить, что две основные цели, преследуемые в конструкции пушки – это работа в режиме непрерывного излучения и низковакуумная характеристика (10-11 – 10-9 торр), необходимая для работы с полупроводниковыми фотокатодами, имеющими приемлемый срок службы и высокую квантовую эффективность, но при этом чувствительными к обратной бомбардировке ионами и к загрязнению. Такие катоды требуются, чтобы создавать желаемый заряд на сгусток при высокой частоте следования с мощностью, доступной при современных лазерных технологиях.

Выбор относительно низкой РЧ-частоты для ОВЧ-пушки направлен на удовлетворение обеих этих потребностей. Более крупная резонирующая структура, связанная с ОВЧ-частотой, снижает плотность мощности на стенках резонатора до уровня, достаточно малого, чтобы обеспечить возможность работы в непрерывном режиме при обычных методах охлаждения с поддержанием высоких электрических полей, необходимых для обеспечения характеристики высокой яркости. Кроме того, использование длинных волн позволяет проделывать в стенках резонатора большие щели, видимые на рисунке 1, с пренебрежимо малым искажением поля, тем самым создавая чрезвычайно высокую проводимость вакуума в соединении с насосной системой, расположенной в области повышенного давления вокруг экватора резонатора. Двадцать промышленных НГП-насосов производительностью 400 л/с (насосы SAES CapaciTorr®-D 400-2) обеспечивают отличную откачку молекул, загрязняющих катод (H2O, O2 и т.д.), в то время как ионный насос производительностью 400 л/с, подключенный к дну области повышенного давления, удаляет инертные газы и остаточные углеводороды.

Выбор ускоряющего градиента для ОВЧ-пушки представляет собой компромисс между требованиями, противоречащими друг другу. С одной стороны, соображения динамики пучка требуют использовать более высокие градиенты, но для минимизации темнового тока (обусловленного автоэлектронной эмиссией) требуется относительно низкий градиент. Уменьшение темнового тока из пушки в установках с высокими частотами следования особенно важно для исключения нежелательных потерь на излучение вдоль главного линейного ускорителя, а также риска «гашения» нижележащих сверхпроводящих ускоряющих секций. Крупномасштабные исследования динамики пучка методами имитационного моделирования [16] показали, что величина градиента, приведенная для ОВЧ-пушки в таблице 1, позволяет обеспечивать требуемую характеристику яркости; сопоставление с зависимостями «темновой ток - градиент» для существующих пушек [17] вместе с исследованиями по отслеживанию начального темнового тока для систем с использованием ЛСЭ [18] также показывает, что выбранный градиент, по-видимому, обеспечит поддержание темнового тока на приемлемых уровнях.

Эксперимент APEX подразделяется на три фазы. Фаза 0, показанная на рисунке 2, состоит из ОВЧ-пушки и диагностического тракта пучка для определения характеристик катода. Основные задачи этой фазы – пуск ОВЧ-пушки и проверка технологических решений, выбранных для использования в ней. На этой критически важной фазе необходимо продемонстрировать ряд базовых контрольных точек, включая полное доведение резонатора пушки до режима непрерывного излучения при заданной радиочастоте, достижение проектного градиента на катоде и соответствующей энергии пучка на выходе пушки, демонстрацию эффективной вакуумной характеристики, а также определение характеристик темнового тока из пушки. Фаза 0 включает также программу исследований и разработок фотокатода, в рамках которой различные материалы будут испытаны при частоте следования порядка мегагерц и при энергии пушки; цель этих испытаний – выбрать наилучший материал для рентгеновских ЛСЭ с высокой частотой следования.

На фазе I к компоновке фазы 0 добавляется комплект диагностики пучка электронов [19], позволяющий определить полный шестимерный набор характеристик фазового пространства пучка при частоте следования порядка мегагерц и при номинальной энергии на выходе пушки. Комплект диагностики включает, среди прочих компонентов, двухщелевую систему измерения эмиттанса (для измерения эмиттанса в режиме доминирования пространственного заряда), поперечный отклоняющий резонатор (оба этих устройства выполнены на основе модифицированной схемы Корнелла [20, 21]), а также спектрометр для измерений щелевого эмиттанса и разброса энергии и для определения полного набора характеристик продольного фазового пространства.

На фазе II к компоновке фазы I добавляется импульсный линейный ускоритель, работающий при частоте 1,3 ГГц и при комнатной температуре (использующий три ускоряющих секции кильватерного ускорителя Аргоннской национальной лаборатории ANL-AWA [22]) и резонатор-группирователь, работающий при комнатной температуре и при частоте 1,3 ГГц (масштабированная версия гармонического резонатора с усовершенствованным источником света [23]). Установленный на фазе I комплект диагностики пучка электронов (после некоторой модификации) перемещается вниз по потоку относительно линейного ускорителя. Новая система линейного ускорителя будет ускорять пучок примерно до 30 МэВ, в результате чего силы пространственного заряда станут достаточно малыми, чтобы позволить выполнять надежные измерения яркости пучка при одновременном сжатии сгустка до требуемой длины.

Установка тракта пучка для фазы 0 завершена. Компоненты фазы I находятся в стадии изготовления; идет разработка исходного проектного решения, технических характеристик компонентов, а также компоновки для фазы II.

 

Рисунок 2: Компоновка фазы 0 APEX. Тракт пучка длиной около 2,5 м позволяет определить характеристики катодов и провести их испытания при частотах следования порядка мегагерц и при номинальной энергии пушки 750 кЭв.

 

Лазерная система

Лазерная система реализована на основе осциллятора с диодной накачкой на волокне, легированном иттербием, с частотой следования 37,2 МГц, обеспечивающего сотни импульсов порядка пикоджоулей с субпикосекундной длительностью при длине волны 1060 нм [24]. Инфракрасный импульс затем растягивается и усиливается, и частота следования снижается до 1 МГц. После заключительного каскада усиления и повторного сжатия получаются импульсы примерно 0,65 мкДж с полной шириной на уровне полумаксимума 600 фс. Лазерное излучение проходит по волокнам через каскады усиления до заключительного каскада сжатия (дифракционная пара), где мощность пика становится слишком высокой, и необходима передача по воздуху. Система предоставлена Ливенморской национальной лабораторией им. Лоуренса (LLNL).

После сжатия 3-мм кристалл трибората лития без критического согласования фаз (нагретый до 180°C) используется для получения вторых гармоник при 530 нм с кпд 35% (240 мДж). Согласование фаз типа I в 1,5-мм кристалле бета-бората бария используется затем для преобразования с повышением из зеленого в ультрафиолет (265 нм) с кпд 25%.

Одна из целей эксперимента APEX – испытание различных материалов катода в среде непрерывного излучения РЧ. Среди возможных «претендентов» очень привлекательными являются катоды из теллурида цезия (Cs2Te) и мультищелочи CsK2Sb [25] из-за их высокой квантовой эффективности (>1%) и низкого собственного эмиттанса. Оба катода будут испытаны в APEX; кроме того, из-за своих различных энергий фотоэмиссии, ультрафиолетовый и зеленый свет вырабатываются и передаются на пушку одновременно.

В зависимости от требуемого заряда пучка электронов оптимум длительности лазерного импульса может варьироваться от 1 до 50 пс. Для формирования импульсов используется метод наложения импульсов [26]; испытания в ультрафиолете уже начались с использованием серии из шести импульсов с плоской верхушкой на кристалле бета-бората бария с α-срезом [27]. Этот же метод будет использован для зеленого света. Для управления частотой следования импульсов лазера используется высоковольтная ячейка Поккельса (кристалл дигидрофосфата калия) в сочетании с расщепителем пучка поляризатора в качестве быстродействующего затвора.

Рисунок 3: Компоновка лазерной системы APEX. Две раздельные линии используются для передачи ультрафиолетовых и зеленых лазерных импульсов в область пушки.

 

Синхронизация между лазером и РЧ обеспечивается контуром обратной связи с пьезоэлектрическим исполнительным устройством в лазерном осцилляторе, используемым для управления длиной резонатора (с шириной полосы частот 20 кГц), а также контуром фазовой автоподстройки частоты, реализованным в РЧ-плате нижнего уровня (на основе ПЛИС [28]), в результате чего создается сигнал рассогласования, пропорциональный разности между частотой резонатора РЧ-пушки и частотой лазерного осциллятора. Результаты измерения дрожания в замкнутом контуре приведены на рисунке 4. Среднеквадратичное значение составляет 2 пс, что соответствует примерно 0,15 градусов РЧ при 186 МГц, и это, таким образом, больше, чем требуется для первой фазы проекта. Для фаз I и II, когда будут установлены резонаторы с более высокими частотами, потребуются усовершенствования.

Лазерная система размещается сверху на экранированной зоне установки эксперимента APEX. Расстояние между лазерной системой и катодом фотоинжектора составляет примерно 12 м, и в проектной схеме транспортировки пучка используется система формирования и передачи изображений для транспортировки импульсов вверх на заключительную таблицу, где выполняется конечное поточечное отображение на катод. Всего до плоскости катода используются четыре длиннофокусные линзы.

Рисунок 4: Измерение дрожания «лазер - РЧ» в замкнутом контуре.

Среднеквадратичное значение по результатам измерений составляет 2 пс.

 

Рисунок 5: Оборудование фазы 0 эксперимента APEX, смонтированное в установке для испытаний пучка на усовершенствованном источнике света.

 

РЕЗУЛЬТАТЫ ПУСКА ФАЗЫ 0 ЭКСПЕРИМЕНТА APEX

В настоящее время все оборудование для фазы 0 (за исключением системы блокировки вакуумной нагрузки) установлено. На рисунке 5 показан тракт пучка в зоне испытаний. Средства диагностики пучка, входящие в имеющуюся компоновку, предусматривают измерение тока, энергии и поперечного профиля пучка, а также составление карт квантовой эффективности катода, измерение собственного эмиттанса и срока службы [19].

Управляющий лазер фотокатода установлен и полностью запущен. Работающий в режиме непрерывного излучения источник РЧ мощностью 120 кВт и частотой 186 МГц для пушки (изготовленный компанией «ETM Electromatic Inc.») полностью работоспособен и надежно подает необходимую мощность на пушку через два тетрода мощностью 60 кВт (Thales TH571B). Стабильность уровня мощности системы составляет около 10-3 (среднеквадратичное значение) при управлении с использованием высокоуровневой программной обратной связи.

Система управления на основе среды EPICS находится на высокой стадии реализации и позволяет полностью управлять компонентами тракта пучка, а также сбором экспериментальных данных. Высокоуровневые макросы, разработанные в MatLab® на платформе Linux, обеспечивают гибкую работу системы и управление экспериментом.

Низкоуровневая РЧ-система на ПЛИС (система LLRF), разработанная в LBNL, обеспечивает управление РЧ-системой, синхронизацию с лазером и настройку частоты источника РЧ в соответствии с частотой резонатора [28].

РЧ-испытания резонатора ОВЧ-пушки при низкой и высокой мощности

Летом 2010 года изготовление пушки было завершено, и были проведены РЧ-испытания при низкой мощности. Резонансная частота, полученная по результатам измерений, оказалась согласующейся с ожидаемой величиной, и добротность резонатора Q по результатам измерений составила около 86% от случая идеального проводника, что демонстрирует отличное качество изготовления резонатора и точность проектной модели. При значении Q, полученном в измерении, для ускорения пучка до номинальной энергии 750 кэВ требуется РЧ-мощность около 100 кВт, что вполне соответствует возможностям РЧ-источника ОВЧ.

Рисунок 6: Зависимость сдвига частоты основной моды от смещения стенки-«анода» резонатора под действием системы настройки.

 

Был также измерен сдвиг частоты, обусловленный втягиванием (или проталкиванием) стенки резонатора на стороне выхода пучка, важный для калибровки действия механического настроечного устройства. На рисунке 6 показаны самые первые три сеанса измерений. После определенной стабилизации механических частей, наблюдаемой в первом сеансе, второй и третий сеанс демонстрируют линейную воспроизводимую зависимость частоты от смещения стенки. Линейные подгонки точек, полученных в сеансах 2 и 3, дают наклон около 630 кГц/мм, что хорошо согласуется с прогнозами по результатам имитационного моделирования. Фактическое смещение (а значит, и собственная частота резонатора) устанавливается дистанционно с помощью усиленных пьезоэлектрических двигателей, работающих под управлением системы LLRF.

После монтажа установки для испытаний пучка и пуска источника высокой мощности, работающего в режиме непрерывного излучения, в конце 2011 года резонатор пушки был успешно выдержан при номинальной мощности 100 кВт в режиме непрерывного излучения после всего лишь около 150 суммарных часов выдерживания. Этот важный результат подтвердил способность пушки работать при требуемых полях без прерывания РЧ. Непрерывные сеансы длительностью более 30 часов без отказов продемонстрировали долговременную надежность РЧ-системы. Как и прогнозировалось по результатам имитационного моделирования, при низкой мощности в резонаторе были обнаружены признаки вторично-электронных резонансов, и была подтверждена широкая зона вокруг номинальной рабочей точки, свободная от вторично-электронных нагрузок. В ходе выдерживания РЧ сначала запускалась в импульсном режиме с коэффициентом заполнения 10%. Такой подход позволил «перепрыгивать» вторично-электронные резонансы при низкой мощности путем непосредственного перехода на уровень примерно половины номинальной мощности. Начиная с этого момента, сначала быстро нарастала пиковая мощность до номинального значения, а затем постепенно увеличивался коэффициент заполнения, вплоть до работы в режиме непрерывного излучения.

Неожиданно возникавшие режимы вторично-электронных нагрузок в коаксиальных линиях РЧ-фидера длиной около 80 см (половина длины волны РЧ) между РЧ-прозрачными окнами и соединителями резонатора (обозначенными на рисунке 1 как «РЧ-соединители») были успешно устранены с помощью обвязочных соленоидов, обеспечивающих в этой области коаксиальных линий поле порядка 50 гаусс.

 

Определение характеристик темнового тока

Первоначально характеристики темнового тока определялись на двух фазах. Сначала справа на трубе выхода пучка пушки, примерно в 15 см от катода, был установлен цилиндр Фарадея. Пример измерения темнового тока с помощью цилиндра Фарадея, а также подгонки полученных данных по Фоулеру-Нордхейму показан на рисунке 7. Полученная при подгонке функция усредняется по периоду РЧ, чтобы принять во внимание изменяющиеся во времени поля в резонаторе [29]. В ходе работы пушки в режиме непрерывного излучения при номинальной мощности средний ток по результатам измерений составил около 8 мкА. Позднее цилиндр Фарадея был перемещен в его нынешнее положение в конце тракта пучка фазы 0, т.е. примерно в 2 м вниз по потоку от катода. В этой новой конфигурации темновой ток, транспортируемый к цилиндру Фарадея, подвергается частичной коллимации под действием вакуумной камеры, и результат измерения снижается менее чем до микроампера, когда пушка работает в режиме непрерывного излучения при номинальной мощности. Начальные исследования показывают, что результаты измерений темнового тока должны быть совместимы с работой рентгеновского ЛСЭ при высокой частоте следования [18].

Рисунок 7: Пример измерения темнового тока и подгонки по Фоулеру-Нордхейму.

 

При отображении темнового тока на экран из алюмоиттриевого граната, выполненном с использованием соленоида в линии транспортировки, наблюдалось, что эмиссия поля в основном создается небольшим количеством точечных источников на плоскости катода. В нынешней конфигурации, оптимизированной для РЧ-испытаний, вместо настоящего катода установлен молибденовый штепсель – «эквивалент». Лучший уровень полировки реального штепселя катода, а также, если требуется, применение лучшего метода чистки для удаления частиц [30] и/или выдерживание пушки при более высоких РЧ-полях [31] потенциально способны снизить интенсивность темнового тока.

 

Измерения пучка электродов

Молибденовый эквивалент штепселя катода, применявшийся в ходе этого первого пуска, обеспечивал надлежащий РЧ-контакт, но демонстрировал низкую квантовую эффективность: согласно оценке, она составляла около 10-6 при 266 нм. При имеющейся мощности лазера и такой квантовой эффективности ожидаемый фотоэмиссионный заряд на сгусток составит около 6 фК, что, при частоте следования порядка мегагерц, создаст ожидаемый средний ток 6 нА. Несмотря на эти перспективные ожидания, в марте 2012 года с использованием системы LLRF лазер был синхронизирован с РЧ пушки, и фотоэмиссионный пучок был визуализирован на экране из алюмоиттриевого граната тракта пучка фазы 0.

Пример такого измерения показан на рисунке 8.

Рисунок 8: Пример изображения фотоэмиссионного пучка на экране из алюмоиттриевого граната в тракте пучка фазы 0.

В другом измерении, путем применения синхронизированного усилителя с лазерным (порядка МГц) триггером управления катодом в качестве эталонного устройства, на цилиндре Фарадея на конце тракта пучка был измерен средний ток около 10 нА, что вполне согласуется с ожидаемой величиной (рисунок 9). В этом измерении фаза РЧ в пушке варьировалась, и измерение проводилось с закрытым и открытым лазерным затвором. Синхронизированный усилитель приводился в действие в фазе с лазером, и так как это устройство чувствительно к фазе, варьирование фазы РЧ относительно лазера приводит также к варьированию результата измерения, даже в отсутствии фотопучка. Тем не менее, величина темнового тока изменяется вместе с фазой инжекции.

Еще одной важной контрольной точкой проекта стала демонстрация проектной энергии пучка электронов, достигнутая через несколько дней после первого фотоэмиссионного пучка. Схема компонентов тракта пучка, использовавшихся в ходе измерения, показана в нижней части рисунка 10. Пучок фокусировался на экран из алюмоиттриевого граната в тракте пучка путем надлежащей настройки поля в первом соленоиде (на рисунке обозначен как «Соленоид 1»). Горизонтальный корректор, расположенный на 0,443 м вверх по потоку относительно экрана (на рисунке - «Горизонтальный корректор»), приводился затем в действие при нескольких различных значениях, и записывалось преобразование центроида пучка на экране. Пример такого измерения приведен на рисунке 10. Наклон линии подгонки пропорционален моменту частицы, и при подаче на резонатор номинальной РЧ-мощности 100 кВт измеренная величина энергии составила 745 кэВ при стандартном отклонении 41 кэВ. Эта величина отлично согласуется с ожидаемой величиной 750 кэВ, снова подтверждая способность пушки создавать требуемые поля.

Рисунок 9: Измерение тока фотопучка с использованием синхронизированного усилителя, запускаемого лазером

 

Рисунок 10: Сверху: пример измерения энергии фотоэмиссионного пучка электронов. Проектная величина для номинальной РЧ-мощности 100 кВт составляет 750 кэВ, что отлично согласуется с результатом измерения. Снизу: схема компоновки, использовавшейся для измерения.

 

«РЧ-прогрев» пушки и характеристика вакуума

Достижение требуемой характеристики вакуума фундаментально важно для работы ОВЧ-пушки с полупроводниковыми катодами, чувствительными к загрязнению и к обратной бомбардировке ионами при приемлемом сроке службы.

ОВЧ-пушка спроектирована в расчете на то, чтобы выдерживать высокотемпературный вакуумный прогрев (ниже 400°C). В обычной схеме вакуумная камера, подлежащая прогреву, обертывается нагревательными лентами и выдерживается при температурах, превышающих примерно 150°C, в течение многих часов, чтобы обеспечить десорбцию молекул газов из стенок камеры. Одно из ограничений такой схемы состоит в том, что компоненты, расположенные внутри наружной прогреваемой камеры, нагреваются только за счет теплопереноса через их соединение с самой камерой. Эта ситуация может привести к затруднениям в контроле фактической температуры таких внутренних частей. Чтобы решить эту проблему, мы воспользовались для ОВЧ-пушки методом, который мы назвали «РЧ-прогревом». В этом методе водяное охлаждение пушки полностью отключается, и несколько киловатт средней РЧ-мощности подаются на резонатор. Без воды температура стенок резонатора растет, и ее можно легко поддерживать на желаемом уровне, регулируя уровень РЧ-мощности. Таким образом, РЧ-проводящие поверхности, для которых нагрев особенно необходим, доводятся до желаемой температуры, и достигается более эффективный вакуумный прогрев.

На рисунке 11 показаны температуры в различных частях ОВЧ-пушки в ходе выполненного нами демонстрационного эксперимента по «РЧ-прогреву». Для всех частей пушки стабильно поддерживалась температура от 130 до 180°C в течение примерно 2,5 дней при включенном турбомолекулярном насосе. По окончании этого периода РЧ была отключена, ионный насос резонатора – включен, и приведен в действие один из двадцати НГП-модулей.

Рисунок 11: Температуры различных частей ОВЧ-пушки во время «РЧ-прогрева», выполнявшегося примерно в течение 2,5 дней (подробности см. в тексте).

 

На рисунке 12 показан график давления вакуума внутри резонатора (синяя линия) и вблизи двух РЧ-прозрачных окон в соединителях (красная и зеленая линии) после охлаждения, выполненного по окончании прогрева, показанного на рисунке 11. Величина давления внутри резонатора составляла менее 5×10-11 торр, (около 6,5×10-8 Па), и прослеживается четко видимая тенденция к еще меньшим давлениям. Давление внутри соединителей, не подвергавшимся существенному нагреву в ходе РЧ-прогрева, было примерно на порядок выше, чем в резонаторе.

Описанная процедура РЧ-прогрева будет выполнена снова после установки системы блокировки вакуумной нагрузки; для достижения конечной вакуумной характеристики пушки будет приведено в действие большее количество НГП-насосов.

Рисунок 12: График давления вакуума внутри резонатора пушки после РЧ-прогрева, показанного на рисунке 11

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ПЛАНЫ НА БУДУЩЕЕ

Пуск фотопушки APEX завершен. Основные контрольные точки для этой фазы проекта APEX успешно продемонстрированы, показав способность пушки создавать пучки электронов с частотой следования порядка мегагерц при проектной энергии. Достигнуто также отличное базовое давление вакуума в пушке, что создает основу для испытаний полупроводниковых фотокатодов согласно планам на следующие фазы проекта.

К числу других работ, запланированных на будущее, относится добавление комплекта диагностики пучка для определения шестимерного набора характеристик фазового пространства пучка электронов, сначала – для энергии пушки, затем – для нескольких тысяч МэВ в целях демонстрации окончательной характеристики яркости для пушки, встроенной в полную схему инжектора.

Следует отметить, что в принципе ОВЧ-пушкой могут быть достигнуты частоты следования вплоть до величин порядка РЧ, и фактическая частота следования ограничивается имеющейся мощностью лазера, используемого для приведения в действие фотокатода. Модифицированные варианты пушки, резонирующие при более высоких частотах (до 700 МГц), могут использоваться для систем, включающих линейные ускорители с рекуперацией энергии.

 

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы благодарят Джона Берда, Питера Дене, Пауля Эмма, Дэвида Робина и персонал Отдела исследований ускорителей и синтеза, Отдела исследований передовых источников света и Технического отдела за постоянную поддержку на различных фазах проекта, а также Марко Вентурини, Джи Ханя и Вейши Вана за полезные обсуждения. Авторы также выражают благодарность Али Нассири за его полезное участие в работе нескольких смен в ходе пуска системы.

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

[1] J. Corlett,et al., Synchrotron Radiation News 22, No. 5, 25 (2009).

[2] J.Bisognano,etal.,TheWisconsinFreeElectronLaserIni- tiative, in proceedings of PAC09, Vancouver, BC, p. 109 (2009).

[3] R.Bartolini,etal.,OptimisationofaSingle-PassSupercon- ducting Linac as a FEL Driver for the NLS Project, in pro- ceedings of FEL2009, Liverpool, UK, p. 480 (2009).

[4] K.-J. Kim, S. Reiche, Y. Shvydko, Phys. Rev. Letters 100, 244802 (2008).

[5] See for example: E. Arenholz, et al., Toward Control of Matter: Basic Energy Science Needs for a New Class of X-Ray Light Sources, Proc. of the Science for a New Class of Soft X-Ray Light Sources Workshop, Berkeley, CA, Oc- tober 8-10, 2007, LBNL Report LBNL-1034E (September 24, 2008).

[6] See for example: C. Limborg-Deprey, D. Dowell, J. Schmerge, Z. Li, and L. Xiao, RF Design of the LCLS Gun, LCLS TN-05-3, February 2005, or, S. Rimjaem, et al., in Proceedings of the 2009 FEL Conference, Liverpool, UK, August 23-28, 2009, p. 251.

[7] J. W. Staples, S. P. Virostek, and S. M. Lidia, in Proceed- ings of the 2004 European Particle Accelerator Conference, Lucerne, Switzerland, July 5-9, 2004, p. 473.

[8] See for example: F. Sannibale, Overview of Recent Progress on High Repetition Rate, High Brightness Electron Guns, to appear in proceedings of IPAC12, New Orleans, LA USA May 2012, and references therein.

[9] F. Sannibale, D. Filippetto, and C. F. Papadopoulos, Journal of Modern Optics 58, 1419 (2011).

[10] F. Sannibale, et al., Status of the LBNL normal-conducting CW VHF electron photo-gun, in Proceedings of the 2010 FEL Conference, Malmo ̈, Sweden, August 23-27, 2010, p. 475.

[11] J. W. Staples, F. Sannibale, S. Virostek, VHF-band photoin- jector, CBP Tech Note 366, 2006.

[12] K.Baptiste,etal.,Nucl.Instrum.MethodsPhys.Res.,Sect. A 599, 9 (2009).

[13] C. Reece, et al., in Proceedings of the 1995 Particle Ac- celerator Conference and International Conference on High Energy Accelerators, Dallas TX, USA, p. 1512 (1995).

[14] B. Aune, et al., Phys. Rev. ST Accel. Beams 3, 092001 (2000).

[15] P.Michelato,C.Pagani,andD.Sertore,Privatecommunications.

[16] C. F. Papadopoulos, et al., Multiobjective Optimization for the Advanced Photoinjector Experiment (APEX), in Pro- ceedingsofthe2010FELConference,Malmo ̈,Sweden,Au- gust 23-27, 2010, p. 479.

[17] See for example: L. Monaco, et al., Dark current inves- tigation of FLASH and PITZ RF guns, in Proceedings of EPAC06, Edinburgh, Scotland, p.2493 (2006), or D. H. Dowell, et al., Measurement and analysis of field emission electrons in the LCLS gun, in Proceedings of the PAC07 Conference, Albuquerque, NM, USA, p. 1299 (2007).

[18] C. A. Steier, et al., Electron Beam Collimation for the Next Generation Light Source to appear in proceedings of IPAC12, New Orleans, LA USA May 2012.

[19] D. Filippetto, et al., Low Energy Beam Diagnostic for APEX, the LBNL VHF Photo-injector, in Proceedings of the 2011 PAC Conference, New York NY, US, p. 1903 (2011).

[20] I.V.Bazarov,etal.,JournalofAppliedPhysics103,054901 (2008).

[21] S. Belomestnykh, et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 614, 179 (2010).

[22] J. Power, et al., Upgrade of the Drive LINAC for the AWA Facility Dielectric Two-Beam Accelerator, in Proceeding of IPAC10, Kyoto, Japan, p. 4310 (2010).

[23] R. A. Rimmer, et al., A Third-Harmonic RF Cavity for the Advanced Light Source, in Proceeding of EPAC98, Stock- holm, Sweden, p. 1808 (1998).

[24] J. Feng, et al., Drive Laser System for the Advanced Photo- Injector Project at the LBNL in Proceedings of the 2011 PACConference,NewYorkNY,US,p.2537(2011).

[25] T. Vecchione, et al., Applied Physics Letters 99, 034103, (2011).

[26] S.Zhou,etal,Appliedoptics46,8488(2007).

[27] C.Pogue,etal.,Longitudinal Pulse Shaping of APEX Drive Laser, these Proceedings.

[28] G. Huang, et al., LLRF Control Algorithm for APEX, to ap- pear in Proceedings of the 2012 IPAC Conference, New Or- leans LA, US, (2012).

[29] See for example: J. W. Wang thesis, RF properties of peri- odic accelerating structures for linear colliders, SLAC-339 UC-28 (A), July 1989.

[30] See for example: D. Reschke, et al., Dry-ICE Cleaning: The Most Effective Cleaning Process for SRF Cavities, in Pro- ceedings of the 2007 SRF Conference, Beijing, China, p. 239 (2007).

[31] See for example:J.Norem,etal.,Phys.Rev.SpecialTopic, Acc. and Beams 6, 072001 (2003).