大面積含鈧熱陰極的光電發(fā)射研究.pdf

1、光陰極是一種廣泛應(yīng)用的陰極材料，自從1985年LANL研制成功第一臺(tái)光陰極注入器以來，光陰極在加速器中的應(yīng)用從理論和技術(shù)上都得到了很大的發(fā)展。當(dāng)前發(fā)展比較成熟的直流和射頻光陰極電子槍主要應(yīng)用于射頻加速器，由于條件所限光陰極在直線感應(yīng)加速器方面的研究較少，需要開展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)工作。
　　現(xiàn)有的2MeV注入器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以開展冷陰極和熱陰極的實(shí)驗(yàn)研究，通過適當(dāng)?shù)馗脑焓瓜到y(tǒng)具備了開展光陰極研究的能力，主要的改動(dòng)有:將觀察窗材料改為石英以便透

2、過紫外激光，增加四倍頻的Nd∶YAG固體激光器(266nm)并保證其正常運(yùn)行，修改原有的加速器時(shí)序控制方式以滿足電壓脈沖和激光脈沖同步的要求。實(shí)驗(yàn)研究的陰極材料為100 mm直徑的鈧酸鹽儲(chǔ)備式熱陰極，二極管真空度優(yōu)于5×10-5 Pa，二極管電壓調(diào)節(jié)范圍是1.4MV～1.8MV，二極管間距約為14 cm，激光入射方向和陰極面法向夾角為70°，正常狀態(tài)激光光斑直徑為6mm，大部分實(shí)驗(yàn)中擴(kuò)束后使用（直徑12 mm），照射在陰極面上的面積變化

3、范圍是2.2cm2～3.3cm2（取決于激光器的狀態(tài)）。
　　實(shí)驗(yàn)分四個(gè)階段進(jìn)行:第一階段主要是實(shí)現(xiàn)了二極管電壓和激光的同步，觀測(cè)到穩(wěn)定的光電發(fā)射波形，此外在一定條件下觀測(cè)到了激光誘發(fā)的等離子體發(fā)射現(xiàn)象;第二階段進(jìn)一步改進(jìn)同步方式和激光參數(shù)的測(cè)量，初步研究了激光能量、二極管電壓、陰極溫度等因素對(duì)光電發(fā)射性能的影響;第三階段，實(shí)現(xiàn)了激光能量的準(zhǔn)確測(cè)量，研究了影響光電發(fā)射的因素;第四階段，改善實(shí)驗(yàn)波形，進(jìn)一步研究影響光電發(fā)射的因素。<

4、br>　　實(shí)驗(yàn)中陰極主要工作在700℃～900℃（低于熱發(fā)射閾值），陰極面上峰值激光功率密度大部分情況下小于3 MW/cm2，陽極最大的收集電流約為100 A，最大的平均電流密度約為45 A/cm2，在1 MW激光峰值功率下測(cè)量到光電發(fā)射最大的量子效率約為2.4×10-4。
　　文中通過解析分析和ANSYS模擬，考察了激光對(duì)陰極表面加熱的情況，對(duì)于本文大部分實(shí)驗(yàn)中的激光參數(shù)，材料表面最大溫升在53℃以內(nèi)，對(duì)于實(shí)驗(yàn)影響較小。這種方法

5、同樣可以用于考察其它參數(shù)的激光對(duì)陰極表面加熱的效應(yīng)。
　　通過研究激光功率和二極管電壓對(duì)陰極光電發(fā)射的影響，發(fā)現(xiàn)在激光功率密度較大的情況下，空間電荷限制效應(yīng)比較明顯。結(jié)合對(duì)陰極發(fā)射性能發(fā)射均勻性的研究，如果擴(kuò)大現(xiàn)有激光光斑預(yù)計(jì)可以獲得更大的發(fā)射電流以及量子效率。對(duì)于陰極溫度對(duì)光電發(fā)射性能的影響也作了研究，結(jié)果表明在現(xiàn)有環(huán)境下實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了保持陰極較好的光電發(fā)射性能，陰極需要始終保持加熱狀態(tài)，此溫度比正常熱發(fā)射的工作狀態(tài)能夠降低200