金刚石放大电子枪物理及原理性实验研究

发布时间：2021-01-05 11:26

　　金刚石放大光阴极（DAP）方案可以产生高流强、低发射度的高亮度电子束,很有希望应用在一些先进的加速器装置上,比如超高功率自由电子激光、能量回收直线加速器光源以及电子冷却强子对撞机等。DAP方案最早由美国Brookhaven实验室的Ben-Zvi等人提出,并经过了一系列的理论模拟和实验验证——实验观测到二次电子传输增益超过200,发射增益最高达到178。DAP的关键组件是一个高纯单晶CVD金刚石膜窗,膜厚约30μm,膜的两面分别需要金属化和氢化处理,其中氢化处理可使表面具有负电子亲和势（NEA）,从而具有较大的电子发射概率。从功能上讲,金刚石膜窗可看成电子束的中间放大发射体。由常规光阴极产生的初级电子束,经10kV直流高压加速后,穿过金属镀层进入金刚石膜中,在不到11μm厚的近表面区域里进行碰撞电离,产生两个量级的倍增放大的二次电子。放大的二次电子在外场的作用下,输运至NEA面,然后发射至真空,从而产生放大的次级电子束。本论文着重对金刚石膜窗中的二次电子特性进行理论、模拟研究,以及进行传输模式的实验验证。论文内容主要包括四个部分:对二次电子倍增过程的蒙卡模拟研究、输运过程的数值模拟研究、... 

【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：160 页

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摘要
ABSTRACT
第1章 引言
    1.1 光阴极射频注入器
    1.2 注入器用电子枪介绍
        1.2.1 热阴极直流
        1.2.2 光阴极直流
        1.2.3 热阴极射频
        1.2.4 光阴极射频
        1.2.5 超导光阴极射频
    1.3 高亮度电子束方案
        1.3.1 降低发射度
            1.3.1.1 减小阴极表面粗糙度
            1.3.1.2 优化设计RF腔体
            1.3.1.3 提高加速梯度
            1.3.1.4 优化初始束团电子分布
            1.3.1.5 发射度补偿
        1.3.2 提高流强
            1.3.2.1 提高平均流强
            1.3.2.2 提高峰值流强
        1.3.3 金刚石放大光阴极方案
    1.4 论文研究背景、主要内容和创新点
        1.4.1 研究背景
        1.4.2 主要内容
        1.4.3 创新点
第2章 基础知识介绍
    2.1 金刚石基础
        2.1.1 金刚石晶体原胞结构、能带结构
            2.1.1.1 晶体原胞结构
        2.1.2 金刚石分类
        2.1.3 金刚石CVD法制备
        2.1.4 CVD金刚石物理性质
        2.1.5 CVD金刚石品级及应用
        2.1.6 DAP用金刚石
            2.1.6.1 品质要求
            2.1.6.2 膜厚要求
        2.1.7 金刚石薄膜性能参数及表征
    2.2 光阴极基础
        2.2.1 光阴极性能参数
            2.2.1.1 量子效率
            2.2.1.2 工作寿命
            2.2.1.3 工作真空度
            2.2.1.4 响应时间
            2.2.1.5 激光波长
            2.2.1.6 暗电流
            2.2.1.7 电子亲和势
        2.2.2 光阴极分类
            2.2.2.1 金属和半导体光阴极
            2.2.2.2 反射式和透射式光阴极
        2.2.3 金刚石放大阴极
            2.2.3.1 二次电子物理过程
            2.2.3.2 传输实验与发射实验
            2.2.3.3 端面处理
    2.3 束流品质参数
        2.3.1 相空间
        2.3.2 发射度
            2.3.2.1 几何发射度
            2.3.2.2 RMS发射度
            2.3.2.3 归一化RMS发射度
        2.3.3 亮度
            2.3.3.1 亮度
            2.3.3.2 归一化亮度
        2.3.4 能散
        2.3.5 流强
            2.3.5.1 峰值流强
            2.3.5.2 平均流强
        2.3.6 阴极热发射度计算
            2.3.6.1 金属阴极热发射度
            2.3.6.2 半导体阴极热发射度
            2.3.6.3 金刚石二次电子放大阴极发射度
    2.4 本章小结
第3章 二次电子倍增过程蒙卡模拟
    3.1 倍增过程
    3.2 蒙卡模拟
        3.2.1 随机数
        3.2.2 初次电子参数抽样
        3.2.3 散射事件类型及步长抽样
        3.2.4 电子状态参数确定
        3.2.5 弹性散射极角抽样
        3.2.6 非弹性散射极角
        3.2.7 非弹性散射能损
            3.2.7.1 CSDA方案
            3.2.7.2 DELA方案
            3.2.7.3 能损累积积分概率数据
            3.2.7.4 能损计算
        3.2.8 二次电子激发
            3.2.8.1 金属中二次电子激发
            3.2.8.2 金刚石中二次电子激发
        3.2.9 MC模拟流程图
        3.2.10 CASINO软件介绍
    3.3 光学模型介绍
        3.3.1 FPA（Full Penn Algorithm）模型
        3.3.2 SPA模型
        3.3.3 Ashley模型
        3.3.4 f-sum规则
        3.3.5 FPA、SPA、Ashley模型计算对比
            3.3.5.1 FPA与SPA结果对比
            3.3.5.2 FPA+SPA与Ashley结果对比
    3.4 二次电子倍增过程模拟计算
        3.4.1 计算模型简介
        3.4.2 镀层金属造成的能损计算
            3.4.2.1 CSDA和DELA方案计算结果对比
            3.4.2.2 与CASINO对比
            3.4.2.3 与实验结果对比
            3.4.2.4 能损结果分析
        3.4.3 电子射程计算
            3.4.3.1 MC射程与K-O射程
            3.4.3.2 与CASINO结果对比
        3.4.4 二次电子分布计算
            3.4.4.1 MC计算
            3.4.4.2 与CASINO结果对比
        3.4.5 二次电子产生函数
        3.4.6 二次电子产额SEY计算
    3.5 本章小结
第4章 二次电子输运过程
    4.1 电子散射
        4.1.1 声子散射
            4.1.1.1 谷内散射与谷间散射
            4.1.1.2 谷内声子散射
            4.1.1.3 谷间声子散射
        4.1.2 杂质散射
            4.1.2.1 电离杂质散射
            4.1.2.2 中性杂质散射
        4.1.3 晶界散射
        4.1.4 不同散射机制的相对重要性
    4.2 金刚石的相关物理参数
        4.2.1 漂移速度
            4.2.1.1 漂移速度测量原理
            4.2.1.2 漂移速度经验公式
            4.2.1.3 饱和漂移速度
            4.2.1.4 金刚石中载流子漂移速度计算
        4.2.2 迁移率
        4.2.3 扩散系数
    4.3 金刚石中载流子输运数值模拟
        4.3.1 载流子输运过程一维等效分析
        4.3.2 扩散漂移方程
            4.3.2.1 扩散漂移方程
            4.3.2.2 初始参数
            4.3.2.3 数值求解
        4.3.3 泊松方程
            4.3.3.1 泊松方程
            4.3.3.2 数值求解
        4.3.4 计算参数
    4.4 输运过程数值计算结果
        4.4.1 电子-空穴密度分布
        4.4.2 电子密度分布影响因素之讨论
        4.4.3 归一化电子总数时间分布
        4.4.4 响应时间与持续时间
            4.4.4.1 迁移率的影响
            4.4.4.2 饱和速度的影响
            4.4.4.3 小结
    4.5 二次电子品质参数
        4.5.1 电荷密度
        4.5.2 响应时间与持续时间
        4.5.3 电子能量
    4.6 本章小结
第5章 二次电子发射过程
    5.1 电子发射方式
        5.1.1 常见的发射方式
        5.1.2 金刚石放大二次电子发射方式
    5.2 金刚石放大二次电子发射过程
        5.2.1 发射过程介绍
        5.2.2 电子能量分布及能带弯曲区
            5.2.2.1 输运阶段能谷中热化电子能量分布
            5.2.2.2 能带弯曲区
            5.2.2.3 穿过BBR后的电子能量分布
    5.3 二次电子发射概率
        5.3.1 势垒模型
            5.3.1.1 阶跃势垒
            5.3.1.2 三角形势垒
            5.3.1.3 考虑肖特基效应和镜像电荷作用的势垒模型
        5.3.2 金刚石表面势垒模型参数
            5.3.2.1 真负电子亲和势
            5.3.2.2 正电子亲和势和有效负电子亲和势
        5.3.3 发射概率计算方法
            5.3.3.1 传输矩阵法
            5.3.3.2 TM法用于金刚石二次电子发射概率计算
        5.3.4 发射概率影响因素
    5.4 金刚石放大二次电子发射实验结果概述
    5.5 本章小结
第6章 金刚石放大二次电子传输模式实验
    6.1 实验目的
    6.2 实验方案
    6.3 实验装置
        6.3.1 真空系统介绍
            6.3.1.1 真空腔体
            6.3.1.2 氦质谱检漏
            6.3.1.3 真空泵
            6.3.1.4 真空计
            6.3.1.5 烘烤设备
        6.3.2 电子枪系统介绍
            6.3.2.1 EGG3101电子枪
            6.3.2.2 EGPS3101功率源
            6.3.2.3 电子枪远程控制
            6.3.2.4 电子枪调试
            6.3.2.5 电子枪操作注意事项
        6.3.3 高压电源介绍
        6.3.4 束流测量系统介绍
            6.3.4.1 法拉第筒
            6.3.4.2 荧光屏
            6.3.4.3 皮安表
    6.4 金刚石样品及样品架设计
        6.4.1 样品介绍
            6.4.1.1 样品来源
            6.4.1.2 样品清洗
            6.4.1.3 样品镀膜
            6.4.1.4 样品固定
        6.4.2 样品支架介绍
    6.5 实验操作
    6.6 实验结果与讨论
        6.6.1 元素6电子级多晶金刚石传输模式测试
            6.6.1.1 样品1的本底电流
            6.6.1.2 低流强、小束斑传输增益
            6.6.1.3 小束斑、不同流强的传输增益
            6.6.1.4 高流强、不同束斑以及大束斑传输增益
            6.6.1.5 空间电荷场屏蔽效应
            6.6.1.6 小结
        6.6.2 太原理工多晶金刚石传输模式测试
            6.6.2.1 样品2的本底电流
            6.6.2.2 低流强、小束斑的传输增益
            6.6.2.3 样品2的品质测试
            6.6.2.4 小结
    6.7 本章小结
第7章 总结与展望
    7.1 论文总结
    7.2 论文展望
参考文献
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]Monte Carlo simulation of incident electrons passing through thin metal layer[J]. Tian-Long He,Hong-Liang Xu,Kai-Ting Huang,Zhi-Liang Ren,De-Rong Xu.  Nuclear Science and Techniques. 2018(07)

博士论文
[1]新一代加速器真空室结构材料表面处理及二次电子特性研究[D]. 王洁.中国科学技术大学 2017
[2]高亮度光阴极注入器的特性研究和束流品质提高[D]. 黄瑞萱.中国科学技术大学 2016
[3]高性能电子枪的设计与研究[D]. 李骥.中国科学技术大学 2014
[4]高亮度光阴极注入器关键技术研究[D]. 李鹏.中国工程物理研究院 2012
[5]光阴极微波电子枪调试及驱动激光整形技术研究[D]. 何志刚.中国科学技术大学 2011



本文编号：2958576