Compact Pin-Cathode S-band Gun

Abstract

Moderne S-Band-HF-Guns sind für die Erzeugung von relativistischen Elektronenpaketen mit geringer Emittanz optimiert, dieses Erfordert jedoch die Verwendung von hochleistungs Klystrons als HF-Quelle. In dieser Arbeit stelle ich das Design und die ersten experimentellen Tests einer kompakten S-Band-Gun vor. Die vorgestellte S-Band-Gun basiert auf einem kompakten Halbleiter-Verstärker mit einer Spitzenleistung von nur 10 kW und beschleunigt Elektronen auf bis zu 180 keV. Eine stiftförmige Kathode mit einer flachen Spitze von 0,8 mm Durchmesser wird verwendet, um eine Extraktionsfeldstärke von 100 MV/m zu erzeugen, die ebenbürtig mit konventionellen und deutlich größeren S-Band-Guns ist. Die kompakte Gun wurde für zwei Anwendungsfälle designt: (i) sie kann direkt für die ultraschnelle Elektronenbeugung (UED) verwendet werden; (ii) als Injektor für einen THz-Beschleuniger (AXSIS), bestehend aus einem THz-Booster der Elektronenpakete von 0,3 MeV bis 2 MeV und einem THz-Linearbeschleuniger, der 20 MeV erzeugt. Für die Anwendung der ultraschnellen Elektronenbeugung (UED) kann die kompakte Elektronenquelle einen sehr hellen Elektronenstrahl mit einer zeitlichen Auflösung von 10 fs und einer räumlichen Emittanz von 0,1 mm-mrad sowie einer transversalen Kohärenzlänge von 2,0 nm für eine 10 fC-Elektronenpuls erzeugen, was wesentliche Strahlparameter sind, um mit dieser Technik eine nm-fs-Raum-Zeit-Auflösung zu erreichen. Das Multipacting, eine der experimentellen Herausforderungen bei dieser RF-Gun, wurde durch dreidimensionale numerische Simulationen sowie durch systematische Messungen untersucht, was zu einer hervorragenden Korrelation zwischen Simulationen und Experimenten führte. In dieser Arbeit beschreibe ich die Fortschritte bei der Konstruktion und Charakterisierung dieses eleganten und kompakten RF-Photogun und gebe einen Ausblick auf spannende Perspektiven für Experimente zur Strukturdynamik.