本研究由清华大学工程物理系的Liuyuan Zhou、Hao Zha、Jiaru Shi（通讯作者）等团队完成，并于2022年发表在期刊Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A上。研究的核心领域是高梯度加速结构中的射频击穿（RF breakdown）现象。随着对带电粒子束能量的无限追求与实验室空间的有限性之间的矛盾日益加剧，高梯度加速结构的发展成为关键。X波段高梯度结构在粒子对撞机、自由电子激光（FELs）和紧凑光源中广泛应用，然而射频击穿现象成为进一步提高梯度的主要瓶颈。因此，本研究旨在通过开发一种可更换场发射阴极的X波段电子枪，深入研究射频击穿的机制。
研究分为多个步骤，主要包括电子枪的设计、热设计、真空模拟、阴极设计、束流动力学模拟、冷测试与调谐、以及高功率条件下的实验验证。
电子枪设计
研究团队设计了一种由2.37个腔体组成的X波段电子枪，其核心特点是可更换的场发射阴极。为了增强局部场发射电流，阴极中心加工了一个锥形尖端。为了确保阴极的可更换性并消除微波泄漏，研究团队创新性地设计了第一个腔体，使其工作在TM02模式。通过高频仿真软件HFSS，团队模拟了电子枪的电磁场分布，并优化了腔体长度和耦合器设计。
热设计
考虑到电子枪在高功率条件下的运行，研究团队通过ANSYS软件进行了热模拟。结果表明，在最高输入功率下，电子枪的最高温度变化在66.37°C以内，且冷却系统能够有效支持高功率实验。
真空模拟
为了确保电子枪在高真空环境下的稳定性，研究团队通过MATLAB编写了真空模拟程序。模拟结果显示，电子枪内部的真空度达到了10^-7 Pa级别，足以支持电子束的稳定传输。
阴极设计
阴极中心加工了不同高度的锥形尖端，以增强局部电场。通过白光干涉扫描和MATLAB模拟，研究团队验证了锥形尖端的电场增强效果，并计算了不同高度尖端的场增强因子。
束流动力学模拟
使用ASTRA软件对单粒子束流动力学进行了模拟，验证了电子枪在不同梯度下的束流性能。结果表明，当梯度超过80 MV/m时，电子束能够从阴极稳定发射。
冷测试与调谐
电子枪原型于2020年9月完成，并通过冷测试验证了其性能。研究团队使用调谐针和拉珠法对电子枪进行了调谐，最终使其频率偏差控制在0.4 MHz以内。
高功率实验与条件化
在清华大学的高功率测试设施（TPOT）上，研究团队对电子枪进行了条件化实验。经过约10^7次脉冲的条件化后，电子枪的峰值电场梯度达到了201.3 MV/m，局部梯度超过1 GV/m。实验还观测到了稳定的场发射电流，平均值为3 mA。
电子枪性能
研究团队成功开发了一种可更换阴极的X波段电子枪，其峰值电场梯度超过200 MV/m，局部梯度达到1 GV/m以上。实验结果表明，电子枪在高功率条件下表现出良好的稳定性。
场发射电流与射频击穿的关系
实验验证了场发射电流与射频击穿之间的密切关系。通过Fowler-Nordheim方程，研究团队拟合了场发射电流与电场梯度的关系，并发现阴极表面的微观结构在条件化过程中发生了复杂的变化。
阴极表面微观结构的变化
实验表明，随着条件化脉冲次数的增加，阴极表面的场增强因子先增加后减少，表明阴极表面的微观结构在高电场作用下发生了钝化。
本研究为高梯度加速结构中的射频击穿现象提供了新的实验平台和深入的理论分析。通过开发可更换阴极的X波段电子枪，研究团队为未来射频击穿的微观机制研究奠定了基础。此外，研究结果对高能物理加速器、自由电子激光和紧凑光源等领域的高梯度结构设计具有重要的指导意义。
创新性设计
研究团队首次设计了工作在TM02模式的可更换阴极电子枪，有效解决了微波泄漏问题。
高梯度性能
电子枪在条件化后达到了超过200 MV/m的峰值电场梯度，局部梯度超过1 GV/m，为射频击穿研究提供了高电场环境。
场发射电流的深入研究
通过实验和理论分析，研究团队揭示了场发射电流与射频击穿之间的关系，为理解射频击穿的微观机制提供了重要线索。
研究团队计划基于当前电子枪开发电子成像系统，以实时观测阴极表面的场发射过程。此外，未来还将开展不同阴极结构和材料的实验，进一步探索射频击穿的机制。
本文的研究为高梯度加速结构的设计与优化提供了重要的实验数据和理论支持，具有显著的学术价值和应用前景。