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为满足高性能亚毫米波自由电子激光器(Free Electron Laser, FEL)对电子束流品质的要求,高亮度电子束团预注入器已经成为人们研究的焦点。尽管光阴级注入器在产生高亮度电子束方面发展迅速并且成绩卓越,但热阴极注入器在产生高亮度和短脉冲束流方面也有其发展的潜力,尤其是其简单易加工的结构更是有利于亚毫米波自由电子激光器往小型化和应用化方向发展。独立调谐式微波电子枪(Independently Tunable Cells RF gun)是以热阴极发射电子,以多个驻波谐振腔完成束流脉冲化及能散补偿的新型电子束团预注入器。该结构最大特点是腔与腔之间相互没有耦合,每腔可分别独立馈入功率和调节相位。通过选择合适的馈入功率和高频相位搭配,能够得到较优的束流品质。此外还能避免a磁铁和激光系统的使用,使整个结构更加紧凑。在此基础上采用阴极外置(External Cathode)的结构,能进一步增大流强和降低能散度,同时消除电子反轰对阴极工作的不利影响。本论文则通过将电子源改为双阳极栅控电子枪,并适当调整结构参数,使得EC-ITC微波电子枪的性能得到增强。最后,通过调谐两腔场强和相位,在没有补偿线圈和α铁的情况下可以获得ps量级束团长度,10-3量级能散度,微脉冲束团有效电荷量大于200pC,能量约2.6MeV,归一化发射度小于10π mm mrad的束流。本论文在综合阐述FEL预注入器关键技术的基础上,对增强型EC-ITC微波电子枪做了深入分析：首先利用一维模型对EC-ITC微波电子枪的聚束性能进行了估算,推导出首腔场强的近似最低值,并结合带电粒子所受径向力的公式分析了其各个组成部分的物理意义,然后通过束流动力学仿真对上述理论研究工作进行了验证,结果吻合良好。论文借用光阴级微波电子枪中发射度增长和发射度补偿的概念,对EC-ITC首腔产生的束团头部的归一化横向发射度变化进行了详细研究,束流动力学仿真结果显示束团头部在经过EC-ITC第二腔时,因等效聚焦透镜以及束团整形的共同作用得到了发射度补偿。此外,论文针对EC-ITC微波电子枪多束团工作状态,高频场和输入束流参数不稳定性,以及准直等非稳态问题进行了计算,并给出了调节范围。在增强型EC-ITC微波电子枪的基础上,论文提出了高性能紧凑型亚毫米波FEL注入装置的物理设计方案,按照指标要求对其中的主要部件,包括行波加速管、螺线管聚焦系统等分别进行了初步设计,最后给出了Start-to-end束流动力学仿真结果。结果显示,该方案可以实现高亮度电子束团的稳定引出。除此之外,由于对增强型EC-ITC微波电子枪工作特性的深入分析可以得出其性能有改进与提高的空间的结论,论文提出了提高束流利用率的任务,该任务的最终目的旨在在保证亚毫米波FEL装置性能指标的同时降低电子源的设计压力。论文总结出了ITC微波电子枪的设计规律,并以流程图的方式给出了新型(Type Novel) ITC微波电子枪的设计方案。通过对多种不同场型的分析和对比,以及前人研究经验的基础上,给出了TN-ITC微波电子枪的物理设计结果。结果表明,这种新型ITC微波电子枪仅需要2.5A的输入流强就可以达到高性能亚毫米波FEL装置的要求,将束流利用率提高了一倍。