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本文以远红外自由电子激光为研究背景,介绍了加速器中各种电子枪工作机理、优缺点以及国内外的研究进展,并给出了基于低能加速器的远红外自由电子激光对电子枪束流参数需求。由于红外波段自由电子激光的小信号增益的大小以及饱和功率对束流的能散非常敏感,而常规热阴极电子枪得到的束团长度较长,在聚束段绝对能散增加会比较明显。为了满足远红外自由电子激光对束流能散的要求,本文在合肥光源栅控直流高压电子枪的基础上,模拟研究了一种热阴极微波栅控直流高压电子枪。微波栅控直流高压电子枪采用微波栅控的方法,控制和压缩阴极引出电子束团的长度。再通过直流高压对电子加速,在电子枪的出口得到几十ps的束团,短的束团意味着束流在聚束段绝对能散的增加要小,这样就能减小低能加速器的能散。微波栅控即阴极与栅网之间形成阴栅腔,在阴栅腔中馈入频率952MHz的基波与频率2856MHz的三次谐波,其模式分别为TM010、TM020。同时在栅网上相对于阴极的直流负偏压可以抑制阴极热发射电子的输出。在微波场与栅网偏压场的共同作用下可以控制阴极电子的引出长度。文中使用SUPERFISH、 POISSON分别进行栅控微波场与高压电场优化计算,使用PARMELA进行束流跟踪与分析。最后得到了一组能满足红外自由电子激光束流需求的电子枪结构。文中对比了直流枪、基波无谐波微波栅控枪与基波加谐波微波栅控枪的束流跟踪结果,对比其束流跟踪结果可知基波加谐波微波栅控枪可以获得更高的流强以及更短的束团长度,因而更适合做基于低能加速器的远红外自由电子激光的电子源。文中还针对了不同阴栅结构条件,进行了PARMELA束流跟踪,分析了栅网结构对束流参数的影响,在综合考虑束团的束团长度、横向发射度、电荷量以及能散等参数后,得到了满足远红外自由电子激光需求的电子枪束流参数的阴栅结构参数。文中最后还分析了栅网偏压、微波场强以及基波与谐波场场强比对束流的影响以及产生影响的原因。得出结论：阴栅距离与栅网厚度对束团长度与电荷量影响比较大,而栅网孔对束团长度与电荷量的基本没有影响；控制栅网偏压与微波场的大小可以调制电子的引出相位,控制输出的电荷量与束团长度：空间电荷效应是影响横向发射度变化的主要原因。文章还简单设计了一个频率为952MHz的次谐波聚束腔,结合一段距离的漂移段,可以将束团长度压缩到9.2ps,束团的绝对能散约15.6keV左右。因此微波栅控电子枪可以大大降低低能加速器的能散。