532nm激光对砷化镓材料及光电阴极的损伤机理研究

发布时间：2020-08-09 16:12

【摘要】：随着加速器领域的快速发展,高平均功率自由电子激光(FEL),能量回收直线加速器(ERL),以及电子冷却(electron cooling)都对光阴极提出了极高的要求,譬如:高量子效率,低发射度以及长寿命等等。砷化镓作为优秀的光电发射体,比传统的光电阴极有着更高的量子效率,更低的发射度。有得有失,砷化镓光阴极在寿命方面就十分的苛刻了,而决定砷化镓阴极寿命长短的关键因素之一就是激光照射。目前,激光损伤砷化镓材料的相关分析也是比较多的,但是对于砷化镓阴极的损伤分析还有所欠缺。为了探究激光对砷化镓阴极的损伤机理,本文采用建模进行理论分析,并采用软件验证分析,最后通过实验验证的方法完成了对辐照过程中砷化镓材料和砷化镓阴极激光损伤作用机理的分析。首先,对砷化镓材料各项物理参数的收集,明确了解其参数在温度变化时所发生的的变化,并对各参数进行函数拟合,通过理论推导计算得出砷化镓的吸收系数、反射系数和反射率,并与砷化镓材料和实测砷化镓阴极的相关系数作比较。基于热传导方程对激光辐照砷化镓进行了温度场建模,同时基于瞬态传热建立了瞬态传热模型。同时结合激光与物质相互作用原理对模型进行理论分析,推导计算得出砷化镓的热熔损伤阈值约在18.165MW/cm2,结合有限元思想通过软件模拟分析得到的热熔损伤阈值在19MW/cm2,比较两结果之间的差异,做出合理的误差分析。结合热应力和吸附脱附理论完善激光对砷化镓阴极损伤机理,分析激光照射对负电子亲和势砷化镓阴极表面的激活铯氧层的损耗和对阴极的性能和量子效率发生衰减之间的关联。结合软件模拟及实验,对砷化镓阴极托激光照射时导热问题进行优化改进并测试达标。使用准连续532nm激光与纳秒脉冲532nm激光在平均功率相同的情况下对砷化镓阴极造成损伤对比。设计实验在大气中利用激光照射测量出砷化镓阴极的热损伤阈值。在上述阈值功率之下,将制备后的砷化镓阴极放入电子枪中用激光照射,观察并记录分析在较高功率密度下激光对砷化镓阴极的损耗情况,寻找到激光照射砷化镓阴极导致表面铯氧层完全脱附时一个激光功率密度阈值的范围。本文的研究成果能够为后续进一步研究激光对砷化镓阴极损伤的机理提供参考,并能为砷化镓阴极照射激光功率选择提供依据。
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN304;TN24
【图文】：

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２００１到２００２年，Ｓｉｎｇｈ等人用１０６４ｎｍ、脉宽３５ｐｓ、脉冲重频１０Ｈｚ的激光照射砷逡逑化镓材料，此时照射的砷化镓晶向为＜１００〉，其结果的到其单脉冲的损伤阈值为２Ｘ逡逑１０１２Ｗ／ｃｍ，并且获得了不同脉冲不同能量密度下材料表面的损伤形态［４３’４４］，如图１．３所逡逑示。２００３年，Ｇｒａｇ等人用１０６４ｎｍ，脉宽２０ｎｓ的Ｎｄ：ＹＡＧ激光照射砷化镓材料，他们逡逑所采用的砷化镓材料也预先经过镜面抛光，且照射晶向为〈１00＞，通过实验测出其单脉逡逑冲的损伤阈值在0．９Ｊ／ｃｍ，然后又通过不同的脉冲数照射测量其损伤阈值的变化，最后逡逑将结果整理成一张关系图［４５］，如图１．４所示。２００４年，Ｔｒｅｌｅｎｂｅｒｇ等人用重频１ｋＨｚ，脉逡逑宽１５０ｆｓ，波长８２０ｎｍ，能量密度为０．邋８Ｊ／ｃｍ２的激光照射砷化镓材料，得出的结论是在逡逑经过８２０ｎｍ激光照射后的砷化镓材料表面会出现微晶，这些微晶的出现会在一定程度上逡逑替代材料完成对激光的吸收，从而有效的提升了砷化镓材料的损伤阈值［４６］。２０１０年，在逡逑ＩＰＡＣ会议上

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验结果表明砷化镓所处环境温度越高，阴极量子效率下降得越快，且下降趋势越明显；逡逑同时在所处温度明显高于环境温度时，在前十个小时内阴极的量子效率会发生骤降，如逡逑图１．５所示；再结合脱附公式，计算出在不同温度下砷化镓阴极表面吸附层的化学反应逡逑级数以及换算系数的值［４７］。逡逑ＨW逡逑W歫逡逑ｍｕ逡逑图１．３电镜下激光致砷化镓材料的损伤图逡逑１邋丁逡逑Ｉ逡逑ＵＪ逡逑Ｉ逡逑0逡逑０Ｈ逦１——Ｉ逦１逦１逦＇逦１逦＊逦１逡逑０逦１０逦２０逦３０逦４０逡逑ＮＯ．邋ＯＦ邋ＰＵＬＳＥＳ逡逑图１．４在重频为２０Ｈｚ的脉冲激光照射下砷化镓材料损

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