NEA-GaAs光阴极直流高压注入器物理特性与实验研究

发布时间：2020-08-22 00:49

【摘要】：高重频短波长自由电子激光和能量回收型直线加速器等大型科研装置是未来先进加速器技术的发展方向之一，这类装置需要能够稳定运行的高重复频率、低发射度、短束长电子束，这为高平均功率高亮度注入器研究带来了巨大挑战。直流高压电子枪是驱动这类装置的热点电子源之一，本论文以中物院FEL-THz装置上的国内首台NEA-GaAs光阴极直流高压注入器为基础，围绕高平均功率高亮度电子束的获得和参数测量等若干物理问题，开展了广泛深入的理论研究和初步实验研究。 针对高平均功率电子束稳定获得的问题，在国际同行的研究基础上改进了注入器工作状态阴极寿命的物理模型，通过该模型判断出注入器存在的真空度和阴极表面温度等问题，并在此基础上开展了一系列注入器优化研究，包括扩大驱动激光器宏脉冲调节范围，消除宏脉冲模式下的电子束鬼脉冲，改进束线尺寸设计，搭建GaAs真空铟焊平台等，我们将阴极的工作寿命从50s提高到80min，在国内首次实现了1mA/3.3h，3mA/1.4h和5mA/0.5h的高平均功率电流稳定输出，并提出了注入器的进一步改进措施。 针对高亮度电子束获得的问题，分析了直流高压电子枪中的空间电荷效应，研究了不考虑热发射度情况下的螺线管发射度补偿问题；采用极低电荷量的螺线管扫描法测量了GaAs阴极热发射度上限；根据扩散模型计算了电子束发射出阴极表面时的发射延时和最大纵向畸变。这些研究证明了FEL-THz的直流高压注入器能够提供发射度小于2mm·mrad，纵向初始半高宽长度约16ps的高亮度电子束。 针对电子束参数测量问题，考虑到高平均功率的破坏性，开展了基于汤姆逊散射的Laser Wire方法的理论和实验研究。研究了LW测量非高斯分布电子束和LW对电子束参数的影响等问题，证明了LW对一般分布电子束测量的适用性及其无阻拦特性；在理论研究的基础上，搭建了国内首台高重复频率新型LW系统，首次将LW应用于低能(250keV)高平均功率电子束测量，该装置采用驱动激光分束的方法，充分利用了驱动激光的剩余功率，并在FEL-THz实验室现有的条件下，无阻拦测量得到电子束纵向半高宽约为6mm的初步信号。
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TL503.3

【参考文献】

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本文编号：2800055