Multipacting Electron Guns: Development and Results of a Test Setup for Experimental Characterisation Studies

Abstract

Multipacting electron guns (MEGs) are micro-pulsed free electron sources based on periodically enhanced secondary emission inside a resonant microwave cavity. They controllably produce electron bunches in both, pulsed or continuous wave operation, whereby a stationary state of emission is achieved from the self-contained balance between energy gain and beam loading of the resonator.

This thesis presents the development process of a self-constructed test setup for experimental performance studies with a modular gun cavity operated at 2.998 GHz. With help of numerical particle tracking studies and field solver solutions the cornerstones of theoretically quantified design criteria in regards to the resonance condition are found. Charge collection measurements from our tailor-made MEG demonstrate the feasibility of current generation for cathode distances of 0.65 mm to 1.75 mm. Since the design of experiment also provides the option of other structural setup modifications, several parameter studies are performed to derive their dependencies on the multipacting process. It is found that average output currents of up to 278 μA can be achieved at the maximally adjustable cathode distance. The coupling strength of external power supply has a major influence on both, the multipacting onset and also the steady state resonance condition. Furthermore, the longitudinal energy spectrum of the beam is shifted towards higher energies with larger field gradients in a range of ∼100 eV. Measurements involving aluminium, copper and stainless steel as cathode materials show different emission behaviour, but all of them are suitable for stable MEG operation.

Multipacting Elektronenkanonen (MEGs) sind gepulste Elektronenquellen, die auf periodischer Sekundärelektronenvervielfachung in einem Hohlraumresonator basieren. In gepulstem oder Durchgangsbetrieb werden dabei kontinuierlich Elektronenpakete generiert, was durch externe Energiezufuhr zur Beschleunigung und interne Energieabfuhr durch die Last der Aufladung des Resonators geregelt ist.

In dieser Doktorarbeit werden die Arbeitsprozesse eines selbstentwickelten Aufbaus zu experimentellen Studien mit einem modular zusammengef¨ugten Resonator präsentiert, der bei 2.998 GHz arbeitet. Designkriterien in Bezug auf die Resonanzbedingung sind mit Hilfe numerischer Simulationen zu Teilchenverfolgung und Feldverteilungen ermittelt worden. Messungen mit unserer maßgeschneiderten MEG zeigen Stromentwicklung für Kathodenentfernungen von 0,65 mm bis 1,75 mm. Weil die Versuchsplanung auch andere strukturelle Modifikationen erlaubt, wurden weitere Parameterstudien zum Verständnis des Multipactingprozesses durchgeführt. Es konnten gemittelte Elektronenströme von bis zu 278 μA bei größtmöglicher Kathodenentfernung gemessen werden, wobei insbesondere die Kopplungsstärke externer Energieversorgung einen hohen Einfluss, sowohl auf das Einsetzen von Multipacting als auch auf die stationäre Resonanzbedingung hat. Des Weiteren wurde beobachtet, dass sich mit höheren Feldgradienten auch die longitudinale Energieverteilung der Strahlpakete um bis zu ∼100 eV verschiebt. Messungen, die Aluminium, Kupfer und Stahl als Kathodenmaterial beinhalten, weisen zwar auf unterschiedliche Emissionseigenschaften hin, zeigen jedoch grunsätzlich Eignung für stabilen MEG Betrieb.