砷化镓光阴极直流高压注入器研究进展

主要介绍自由电子激光相干强太赫兹源(FEL-THz)装置上的砷化镓光阴极直流高压注入器的研究进展,并讨论其驱动未来高重复频率短波长自由电子激光器的差距。通过综合砷化镓阴极寿命的三大影响因素,提出了其工作寿命的定性物理模型;通过该模型对阴极和注入器进行优化,在直流高压电子枪上得到了5mA,32min的连续稳定输出;测量了电子束在4.8mA下归一化发射度约为4.0πmm·mrad,阴极热发射度约为0.6πmm·mrad,电子束本征横向能量约为92meV,250keV电子束在距离阴极90.6cm处纵向均方根长度约为11.5ps。这一束流状态已经基本满足FEL-THz需求。     

GaAs光阴极量子效率分布测量

基于负电子亲和势GaAs光阴极直流高压注入器,设计并搭建了国内首套光阴极量子效率分布测量系统。该系统利用单透镜实现逐点扫描,并采用LabVIEW进行控制和数据读写。实验表明,该系统单点采样时间小于2.3s,分辨率优于0.32mm。初步测量了GaAs阴极的量子效率分布,观察到量子效率分布及其衰减的不均匀性,量子效率较高区域的衰减速率更低。     

9MeV,小于0.1mm微焦点X射线源验证实验

密度高、成像分辨率高、成像速度快的X射线数字成像检测需要高能微焦点大剂量X射线源,高品质电子源是实现这一X射线源的关键手段。基于中国工程物理研究院太赫兹自由电子激光的主加速器,验证了低发射度、低能散度的高亮度电子束实现高能微焦点的可行性,得到电子束半高全宽尺寸小于70μm的9 MeV微焦点,并初步开展成像实验,双丝像质计焦斑清晰分辨9D号丝,丝直径0.13 mm。     

真空铟焊的负电子亲和势砷化镓光阴极实验研究

大功率激光加载会使负电子亲和势(NEA)砷化镓(GaAs)光阴极的温度迅速升高,较高的温度对NEA GaAs光阴极的激活层造成了破坏,从而使其量子效率迅速下降。探索了基于FEL-THz装置的NEA GaAs光阴极的真空铟焊工艺,搭建了GaAs真空铟焊平台,并进行了真空铟焊后的GaAs光阴极激光与束流加载实验。研究表明,真空铟焊使GaAs与金属阴极托之间形成了紧密连接,增强了阴极与阴极托之间的热传导,减缓了阴极的温升速率,并在数瓦平均功率激光加载时将注入器中NEA GaAs光阴极的工作寿命提高了一个量级以上。     

GaAs阴极光电发射特性北大核心CSCD

采用氧过量YOYO激活工艺对经高温清洁的砷化镓(GaAs)晶片进行激活,测量其量子效率和在激光及背景光照射下的使用寿命,得到了4.66%的量子效率;在电子枪中的实验获得了平均流强大于1mA的束流。分析了真空度、高温清洁温度、铯氧激活工艺等因素对GaAs光阴极初始量子效率和使用寿命的影响。     

强流电子束引出窗风冷数值模拟

 研究了1.2 MW大功率电子加速器引出窗钛膜受力状况,确定其工作温度必须控制在150 ℃以内。此温度下,热传导和热辐射的散热作用可以忽略,强迫风冷是唯一的散热途径。用流体模拟计算软件分析了钛膜冷却效果与出口风速和距离之间的关系,分析回流区的存在及其影响,并对引出窗结构做了初步优化。模拟了附加隔离窗形成的封闭空间对引出窗风冷的影响,模拟结果为：提出的非均布扫描方式可以将引出窗输出能力提升76%。     

光阴极直流高压电子枪束流偏轴发射研究

离子反轰会造成直流高压电子枪内光阴极的量子效率衰减,降低阴极的工作寿命和稳定性,是限制光阴极直流高压电子枪性能的重要因素之一。基于中国工程物理研究院太赫兹自由电子激光(THzFEL)的直流高压电子枪,通过束流动力学模拟和阴极量子效率测量,研究了束流偏轴发射对离子反轰的抑制作用及其应用限制。模拟结果表明:束流偏轴发射时,离子主要轰击阴极的电中心附近,光电发射区域的离子通量较轴上发射时降低约95%;但束流发射度增大约4πmm·mrad,横向运动幅度增加约1倍。通过电子枪运行前后阴极量子效率测量,发现束流偏轴发射时离子反轰引起电中心附近量子效率大面积的衰减,而光电发射区域量子效率损失较小,验证了束流偏轴发射抑制离子反轰的可行性。     

自由电子激光相干强太赫兹源装置鬼脉冲初步研究

研究中国工程物理研究院自由电子激光相干强太赫兹源(FEL-THz)装置上鬼脉冲产生的原因及其对装置调试测量的影响,通过束流动力学模拟、热分析、蒙特卡罗模拟以及初步实验结果分析,证明了鬼脉冲将会明显破坏阻拦型测量,并会在束线管道上造成温度升高和辐射强度增大。研究表明:鬼脉冲成为限制FEL-THz装置正常工作的重要原因,为保证FEL-THz顺利出光,鬼脉冲必须予以消除,并简要讨论了鬼脉冲的消除方法。     

GaAs光阴极高温热清洗北大核心CSCD

GaAs光阴极在进行Cs-O激活前,激活层表面必须达到原子级洁净。最常用且最有效的洁净方法是高温热清洗法。然而,在热清洗过程中对处在真空系统中的光阴极表面温度进行精确测量却是非常困难的。采用ANSYS软件对GaAs光阴极热清洗过程进行热分析,得到光阴极表面的温度分布,并讨论该温度分布情况下激活得到光阴极的量子效率分布。