高亮度光陰極注入器關(guān)鍵技術(shù)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(chǔ)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(shí)減小光陰極注入器中的發(fā)射度和提高

2、陰極電流流強(qiáng)。
　　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(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題，涉及三個(gè)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(bǔ)償研究，以及能提供高平均流強(qiáng)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(duì)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(xì)介紹了注入器中引起發(fā)射度增長的各種機(jī)

3、制，并理論上推導(dǎo)了三階射頻場對(duì)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(tuán)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(duì)它進(jìn)行補(bǔ)償。本論文詳細(xì)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(diǎn)及它對(duì)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(bǔ)償?shù)脑砑疤攸c(diǎn)。最后利用Parmela程序?qū)χ袊こ涛锢硌芯吭焊?/p>

4、壓直流連續(xù)波光陰極注入器的發(fā)射度補(bǔ)償作了模擬計(jì)算。結(jié)果表明，束團(tuán)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(bǔ)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(bǔ)償。
　　獲得高亮度電子束的另一個(gè)方面是得到能提供高平均電流流強(qiáng)的陰極。本論文詳細(xì)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(jī)制、物理性質(zhì)和產(chǎn)生的電子束性質(zhì)等內(nèi)容。同時(shí)，本論文編寫了一個(gè)二維的蒙特卡羅程序，對(duì)倍增的二次電子在金剛石薄膜中的輸運(yùn)特性做了初步模擬。研究表明二次電子的遷移率對(duì)溫度和外加電場的大小很敏感;在雜質(zhì)濃度比較低時(shí)(＜1017/cm-3)受雜質(zhì)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(shí)的遷移率為3731.55 cm2/Vs。同時(shí)，模擬了一個(gè)二維的二次電子束團(tuán)在金剛石薄膜中的整體輸運(yùn)特性