高亮度光陰極注入器關鍵技術研究.pdf

1、基于自由電子激光(FEL)或能量回收直線加速器(ERL)的高平均功率太赫茲光源和X射線源都要求注入器能提供低發(fā)射度、高亮度的電子束。光陰極注入器是獲得高亮度電子束的主要途徑之一。中國工程物理研究院(CAEP)在成功完成緊湊型THz-FEL光源研究的基礎上，開始開展高平均功率THz-FEL光源和基于ERL的高平均功率THz光源的研究。為了獲得未來基于ERL的THz光源所需的高亮度、低發(fā)射度的電子束，需要同時減小光陰極注入器中的發(fā)射度和提高

2、陰極電流流強。
　　基于中國工程物理研究院正在開展的THz-FEL光源的研究，本論文主要研究了能提供高亮度束流的光陰極注入器中的幾個關鍵技術問題，涉及三個方面:射頻電子槍中的發(fā)射度研究，CAEP高壓直流連續(xù)波電子槍中的發(fā)射度增長及發(fā)射度補償研究，以及能提供高平均流強的新型的金剛石薄膜放大陰極的研究。
　　為了獲得高亮度的電子束，首先需要對光陰極注入器中的發(fā)射度作系統(tǒng)而深入的研究。本論文詳細介紹了注入器中引起發(fā)射度增長的各種機

3、制，并理論上推導了三階射頻場對電子束橫縱向半徑和發(fā)射度的影響，發(fā)現(xiàn)它的主要影響是減小了束團縱向能散。
　　空間電荷力產(chǎn)生的發(fā)射度是注入器中發(fā)射度增長的主要因素，特別是在高壓直流連續(xù)波光陰極注入器中。為了獲得高亮度的電子束，需要對它進行補償。本論文詳細分析了高壓直流連續(xù)波光陰極注入器中線性空間電荷力的特點及它對電子束橫向發(fā)射度的影響，并從理論上解析的研究了螺線管發(fā)射度補償?shù)脑砑疤攸c。最后利用Parmela程序對中國工程物理研究院高

4、壓直流連續(xù)波光陰極注入器的發(fā)射度補償作了模擬計算。結果表明，束團電荷量為80 pC電子束在350 kV高壓直流電子槍出口處的橫向歸一化發(fā)射度為5.14 mm·mrad，經(jīng)過螺線管補償后，它的最小橫向發(fā)射度變?yōu)?.27 mm.mrad。電子束的發(fā)射度得到了很好的補償。
　　獲得高亮度電子束的另一個方面是得到能提供高平均電流流強的陰極。本論文詳細介紹了一種能滿足能量回收直線加速器要求，能提供高平均電流的新型陰極——金剛石薄膜放大陰極，

5、具體分析了它的機制、物理性質和產(chǎn)生的電子束性質等內(nèi)容。同時，本論文編寫了一個二維的蒙特卡羅程序，對倍增的二次電子在金剛石薄膜中的輸運特性做了初步模擬。研究表明二次電子的遷移率對溫度和外加電場的大小很敏感;在雜質濃度比較低時(＜1017/cm-3)受雜質濃度的影響不大。模擬得到的二次電子的飽和速度為1.88×107 cm/s，無外加電場時的遷移率為3731.55 cm2/Vs。同時，模擬了一個二維的二次電子束團在金剛石薄膜中的整體輸運特性