高极化度电子源先进光阴极的研究
[Abstract]:Ga As photocathodes have been widely used to provide spin-polarized electron beams for electron guns. To meet the harsh demands of modern electron accelerators, these photocathodes must have the following characteristics: high quantum efficiency, high electron spin polarization and long working life. High quality photocathodes will greatly promote new electron accelerators. Successful construction provides a powerful tool and means for exploring new physical phenomena. This paper deals with several aspects of polarized photocathodes, aiming to quantify and further understand the limitations of existing gallium arsenide photocathodes and propose effective ways to improve their performance to meet the current and future applications of advanced electron accelerators. GaAs-based strained superlattice photocathodes are currently the only cathode material capable of providing highly polarized (~90%) electron beams for electron accelerators. The main drawback is the low quantum efficiency (~1%). The accelerator CEBAF is running, but they can no longer meet the urgent needs of the new type electron accelerator for high-current electron beams (1-50mA). It is imminent to greatly improve the quantum efficiency of this photocathode. In this paper, a distributed Bragg Reflector (DBR) structure is studied. Strained GaAs/GaAsP superlattice photocathodes have successfully achieved a breakthrough in quantum efficiency while maintaining high polarization through rigorous parameter design and repeated experimental optimization. This breakthrough is several times higher than the existing level and far beyond the presence of high polarization photocathodes. This breakthrough is being achieved in several next-generation electron accelerators under research. The photocathode lifetime is one of the most important quality parameters of the electron gun, and the long lifetime is the basis for the electron gun to provide a sustained and stable beam. One of the main mechanisms of cathode lifetime is ion bombardment. However, the effect of ion bombardment on the photocathode has not been systematically studied so far, and many of its physical mechanisms are still unclear. The results of this study provide important reference for electron gun researchers to understand and further explore the ion bombardment effect and to further improve the gun working life in the future. The depolarization process (spin relaxation) occurs and the polarization degree of typical unstrained gallium arsenide photocathodes is usually less than 50% of the theoretical limit. In this paper, the depolarization mechanism of photocathode materials is described comprehensively, and the effects of temperature, doping concentration, activation layer and crystal tangent on the polarization degree are studied experimentally. One of the important findings is that when the photocathode sample with low doping concentration is cooled to 77 K, it produces a polarization equivalent to the theoretical limit (52%). A novel strained superlattice structure, GaAsSb/AlGaAs photocathode, has been explored and preliminary results have been obtained. Although there is a clear gap between the experimental results and the expected values, the results of this study provide a direct reference for the future development of high polarization photocathodes. In the end of this paper, the preparation of high-energy and high-current polarized electron beams by using the injector testing device of Thomas-Jefferson National Laboratory is introduced.
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TL503.3
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,本文编号:2188195
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