砷化鎵光陰極直流高壓光陰極注入器研究進(jìn)展,光學(xué)論文

砷化鎵光陰極直流高壓光陰極注入器研究進(jìn)展,光學(xué)論文近年來(lái)，低重復(fù)頻率〔1kHz〕短波長(zhǎng)自由電子激光器〔FEL〕得到了迅猛的發(fā)展[1-4],并作為當(dāng)前最高峰值亮度的先進(jìn)光源推動(dòng)了生命科學(xué)、信息技術(shù)及材料等多個(gè)學(xué)科的進(jìn)步[5-7],成為了當(dāng)下研究物質(zhì)世界的強(qiáng)有力工具。短波長(zhǎng)FEL要求電子束具有極高峰值亮度，詳細(xì)具體表現(xiàn)出為大電荷量、低發(fā)射度和短束長(zhǎng)。這些需求促使了電子注入器及其陰極的迅速發(fā)展和成熟，華而不實(shí)極具代表性的包括美國(guó)斯坦福直線加速器中心〔SLAC〕的X射線自由電子激光器LCLS[1]采用的常溫光陰極〔Cu〕微波注入器[8],以及日本C波段X射線自由電子激光器SACLA[3]的熱陰極直流注入器[9],這些高亮度的電子源實(shí)現(xiàn)了FEL從THz到X射線的飽和出光，并在光源的峰值亮度上相比于同步輻射光源提高了約10個(gè)數(shù)量級(jí)。生命科學(xué)、信息技術(shù)、流體物理、光化學(xué)和納米材料等多個(gè)學(xué)科的飛速發(fā)展，對(duì)FEL提出了新的更高層次的要求，尤其是這些學(xué)科中對(duì)于超短時(shí)間間隔〔ps~ns量級(jí)〕的超快〔fs~ps量級(jí)〕超高亮度〔1030photonss-1mm-2mr2〔0.1%bandwidth〕-1〕X射線連續(xù)照相技術(shù)的需求，使得下一代的FEL和能量回收型直線加速器〔ERL〕將工作在高重復(fù)頻率〔MHz〕高平均功率形式下，如美國(guó)SLAC已經(jīng)啟動(dòng)的LCLS-II[10]和我們國(guó)家已啟動(dòng)預(yù)研的北方光源〔BXERL〕項(xiàng)目[11-12]等。這些光源要求其電子源同時(shí)具有高重復(fù)頻率〔MHz量級(jí)〕、高平均流強(qiáng)〔100mA量級(jí)〕和高亮度〔nC量級(jí)單束團(tuán)電荷量，mmmrad量級(jí)發(fā)射度，ps至亞ps量級(jí)束團(tuán)長(zhǎng)度和10-5左右的能散度〕[13],這使得高量子效率的光陰極和高電場(chǎng)梯度的電子槍成為了高重復(fù)頻率注入器的主要研究方向。直流高壓光陰極注入器〔HVDCphoto-injector〕因其具有真空性能好、不需要微波源、造價(jià)相對(duì)低廉、能同時(shí)提供ps超短的連續(xù)電子束和脈沖束等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)成為了驅(qū)動(dòng)將來(lái)高重復(fù)頻率短波長(zhǎng)FEL電子源的研究熱門。在國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)支持下，中國(guó)工程物理研究院聯(lián)合清華大學(xué)、北京大學(xué)等多家單位共同研發(fā)的相干強(qiáng)太赫茲源〔FEL-THz〕裝置[14-15],是由高重復(fù)頻率〔54.167MHz〕高亮度的GaAs直流高壓注入器驅(qū)動(dòng)的諧振腔型自由電子激光。該注入器當(dāng)前已經(jīng)初步知足了FEL-THz的基本要求，并具有驅(qū)動(dòng)高重復(fù)頻率短波長(zhǎng)FEL的潛在可能性。本文主要介紹這一注入器的研究進(jìn)展，內(nèi)容包括直流高壓電子槍、陰極工作壽命的定性物理模型、電子束加載實(shí)驗(yàn)和電子束初步測(cè)量。1電子槍簡(jiǎn)介FEL-THz所使用的直流高壓電子槍〔DCgun〕構(gòu)造示意圖如1所示[16],槍體為四通型，徑向直徑500mm,較大的尺寸用來(lái)降低電極外表場(chǎng)強(qiáng)；高壓絕緣子采用電荷泄放型陶瓷絕緣子，以提高強(qiáng)電場(chǎng)工作穩(wěn)定性；陰極支撐桿和地電位之間加一電極，用于降低陰極支撐桿外表電場(chǎng)強(qiáng)度；絕緣子外外表約為0.5MPa個(gè)的SF6氣體絕緣，并放置空間非均勻分布金屬環(huán)分壓；超高真空由三極濺射離子泵和非蒸散吸氣泵〔NEG〕的組合實(shí)現(xiàn)。通過(guò)烘烤、吸氣泵等一系列手段，DC-gun在未出束狀態(tài)下的真空度已經(jīng)能夠穩(wěn)定在10-9Pa量級(jí)，電子槍出口處電子束動(dòng)能為200~350keV,當(dāng)前常用值為200keV和250keV.2陰極工作壽命定性物理模型通過(guò)分析外表量子效率下降的物理經(jīng)過(guò)，得到了一個(gè)定性的工作壽命物理模型[17],該物理模型可表示為式中：p,t和b分別表示由真空度〔氣壓〕、溫度和離子反轟單獨(dú)影響造成的陰極工作壽命；表示高平均功率工作狀態(tài)下測(cè)量的工作壽命；是陰極量子效率，可通過(guò)測(cè)量恒定光照下的光電流獲得；t是時(shí)間；其余參數(shù)為建立模型時(shí)假設(shè)的物理量〔kn正比于溫度T;正比于離子反轟到陰極外表的通量〕，在較長(zhǎng)時(shí)間〔s量級(jí)以上〕工作時(shí)近似為常量。式〔1〕表示清楚：正比于三大影響因素造成壽命的調(diào)和平均數(shù)，即接近于最主要影響因素造成的壽命。式〔2〕表示清楚：在電流-時(shí)間對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下，當(dāng)驅(qū)動(dòng)激光功率恒定時(shí)，假如真空度為主要影響因素，電流沿時(shí)間成近似直線下降；當(dāng)溫度和離子反轟是主要影響因素時(shí)，成近似對(duì)數(shù)下降；要區(qū)分溫度和離子反轟，可在量子效率下降后，適當(dāng)提高驅(qū)動(dòng)激光功率，使電流回到下降前狀態(tài)，此時(shí)陰極外表溫度隨著激光功率增大而升高，而電流與下降前一致，離子反轟狀態(tài)一致，假如對(duì)數(shù)曲線斜率明顯增大，則溫度是主要影響因素。這一模型的建立，使我們能夠在進(jìn)行陰極和注入器研究時(shí)迅速捉住主要矛盾，逐一攻破，優(yōu)化注入器工作狀態(tài)。3NEA-GaAs光陰極直流高壓注入器束流加載實(shí)驗(yàn)3.1注入器初始工作狀態(tài)注入器的初始工作狀態(tài)如下：將制備好的陰極〔初始量子效率約為2%〕[18-19]推入到電子槍的陰極球上，電子槍電壓設(shè)定為250kV,采用約1W平均功率的532nm驅(qū)動(dòng)激光對(duì)陰極進(jìn)行照射，陰極工作壽命約為50s,發(fā)射電流隨時(shí)間變化如此圖2所示。激光照射時(shí)，量子效率初始約為0.93%,這是由于陰極在傳遞經(jīng)過(guò)中遭遇低真空區(qū)引起的正常下降〔傳遞會(huì)損失40%~50%的量子效率〕。電流在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下首先表現(xiàn)為一段近似對(duì)數(shù)的曲線，然后變?yōu)榻浦本€。由于在初始很短的時(shí)間內(nèi)陰極外表溫升尚不明顯，因而導(dǎo)致量子效率迅速下降的主要因素為真空度和離子反轟。在電流大于2.5mA時(shí)，離子反轟占主要因素，此后真空度占主要因素。當(dāng)電流下降到約0.5mA時(shí)，提高驅(qū)動(dòng)激光功率至1.3W,此時(shí)電流升高后迅速下降，下降趨勢(shì)類似于對(duì)數(shù)曲線，下降速度增大，由于此時(shí)電流較小，真空度較之前變化不大，因而導(dǎo)致量子效率下降速度增加的主要原因是驅(qū)動(dòng)激光在陰極外表引起的溫度升高，這一效果在激光功率上升至1.5W時(shí)變得愈加明顯。最初的出束實(shí)驗(yàn)不具備同步測(cè)量真空計(jì)讀數(shù)的條件，在這里后的微小電流出束實(shí)驗(yàn)中，電子束電流約為50A,我們記錄了真空計(jì)讀數(shù)，如此圖3所示。由圖可知，即便在很小的出束電流下，注入器內(nèi)部也發(fā)生了較大的放氣，導(dǎo)致真空度急劇下降，可推斷原因是電子束在束壁上出現(xiàn)了較大的損失。3.2注入器改良措施針對(duì)真空度迅速下降的情況，我們首先研究了束流準(zhǔn)直的問(wèn)題，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，注入器驅(qū)動(dòng)激光器在宏脈沖狀態(tài)下存在不可忽視的鬼脈沖[20],會(huì)淹沒阻攔測(cè)量靶的探測(cè)信號(hào)進(jìn)而影響束流準(zhǔn)直。我們通過(guò)采用二級(jí)電光開關(guān)的方式方法消除了該鬼脈沖，詳細(xì)方式方法見以下為參考文獻(xiàn)[21].通過(guò)數(shù)值計(jì)算和Parmela束流動(dòng)力學(xué)模擬，我們證明了注入器出口處束線尺寸較小是引起真空度下降的另一重要原因，并將電子槍陽(yáng)極孔擴(kuò)大到直徑50mm,陽(yáng)極孔后束線尺寸擴(kuò)大到直徑63mm,詳細(xì)分析見以下為參考文獻(xiàn)[22].通過(guò)這些措施，我們將陰極在較小激光功率〔480mW〕照射下的壽命提高了兩個(gè)量級(jí)〔兩處照射點(diǎn)壽命相近〕，最大到達(dá)大于1h,并在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下趨近于直線，但當(dāng)激光功率進(jìn)一步增加至1.25W,陰極工作壽命迅速減小。由此能夠判定出，在較高激光功率照射下，限制壽命的主要因素為激光在陰極外表引起的熱效應(yīng)，在較低激光功率照射，較小發(fā)射電流時(shí)，主要限制因素為真空度。為降低陰極外表溫度，搭建了真空銦焊平臺(tái)〔圖4〕，將陰極焊接在陰極托上，并采用紅外熱成像儀測(cè)量了大氣中近似絕熱環(huán)境下銦焊前后激光在陰極外表引起的溫升，通過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，銦焊可使絕熱環(huán)境下陰極外表溫度上升時(shí)間延長(zhǎng)7倍以上[23].我們將銦焊后的陰極推送至電子槍中進(jìn)行出束實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)陰極對(duì)激光功率的耐受能力大幅提高，在較大功率〔約2W〕激光照射下，陰極壽命也提升至30min以上。3.3改良后NEA-GaAs光陰極注入器工作狀態(tài)我們手動(dòng)調(diào)節(jié)激光功率進(jìn)行反應(yīng)，并在2020年上半年實(shí)現(xiàn)了GaAs陰極1mA/3.3h,3mA/1.4h和5mA/0.5h的高平均功率高亮度電流穩(wěn)定輸出[23],如此圖5所示，到達(dá)了當(dāng)前國(guó)內(nèi)的最好水平，并超越了日本KEK在2020年國(guó)際粒子加速器會(huì)議〔IPAC〕上報(bào)道的出束狀態(tài)[24].在3mA穩(wěn)定輸出結(jié)束后，我們?cè)诩す夤β始s為3W的情況下測(cè)量了陰極壽命約為30min,證明了陰極對(duì)激光功率耐受能力大幅增加；三種狀態(tài)下連續(xù)輸出時(shí)，電子槍內(nèi)真空計(jì)測(cè)量結(jié)果基本優(yōu)于210-8Pa,證明了注入器真空得到了大幅優(yōu)化。4NEA-GaAs光陰極直流高壓注入器電子束參數(shù)測(cè)量FEL-THz裝置與將來(lái)高重復(fù)頻率短波長(zhǎng)FEL對(duì)電子束參數(shù)要求如表1所示。表中f,I,εn,t和E/E分別表示電子束重復(fù)頻率、電流、橫向歸一化發(fā)射度、縱向均方根〔RMS〕長(zhǎng)度和相對(duì)能散度。我們搭建了相應(yīng)的測(cè)量裝置對(duì)電子束參數(shù)進(jìn)行了初步測(cè)量，主要包括積分電流變壓器〔ICT〕測(cè)量平均電流和單束團(tuán)電荷量、多縫法測(cè)量發(fā)射度、螺線管掃描法測(cè)量熱發(fā)射度及LaserWire方式方法測(cè)量縱向長(zhǎng)度。4.1電荷量及發(fā)射度測(cè)量5mA穩(wěn)定出束時(shí)采用ICT測(cè)量的示波器信號(hào)如此圖6所示，匹配阻抗為50，通過(guò)積分能夠得出，單束團(tuán)電荷量為89pC,對(duì)應(yīng)電流為4.8mA.在宏脈沖形式下，我們采用多縫法測(cè)量了鉛垂方向發(fā)射度，成像條紋如此圖7所示，歸一化發(fā)射度測(cè)量值為4.02mmmrad.4.2熱發(fā)射度測(cè)量我們采用極低單束團(tuán)電荷量〔28fC〕的螺線管掃描法測(cè)量了安裝在直流高壓注入器中的GaAs陰極熱發(fā)射度[23],測(cè)量結(jié)果如此圖8所示，圖中為電子束在測(cè)量靶上測(cè)得的橫向均方根尺寸，Bz,max為螺線管縱向最大磁場(chǎng)。由最小二乘擬合可知，發(fā)射度測(cè)量值約為0.60mmmrad〔歸一化到1mm均方根尺寸〕；該結(jié)果也表示清楚當(dāng)前我們的GaAs陰極的本征橫向平均能量約為92meV.4.3縱向長(zhǎng)度測(cè)量我們最近搭建了LaserWire系統(tǒng)[25],如此圖9所示。激光被分束后，一束照射光陰極產(chǎn)生電子束，另一束經(jīng)過(guò)延時(shí)系統(tǒng)后在束線下游與電子束發(fā)生湯姆遜散射，通過(guò)改變延時(shí)大小測(cè)量不同對(duì)撞位置的散射光子數(shù)，即能夠得到束團(tuán)的縱向分布情況。我們初步測(cè)量得到了90.6cm處250keV電子束縱向半高寬約為6mm〔RMS尺寸為11.5ps〕的信號(hào)〔圖10〕，具備了無(wú)阻攔測(cè)量電子束縱向長(zhǎng)度的能力。5結(jié)論本文介紹了FEL-THz裝置GaAs直流高壓注入器的初步研究現(xiàn)在狀況。通過(guò)陰極工作壽命定性物理模型的指導(dǎo)和一系列的優(yōu)化措施，實(shí)現(xiàn)了注入器5mA/32min的穩(wěn)定束流輸出，并測(cè)量得到：電子束單束團(tuán)電荷量約89pC,發(fā)射度為4.02mmmrad,熱發(fā)射度約為0.60mmmrad〔歸一化到1mm〕，電子束本征橫向能量約為92meV,250keV時(shí)90.6cm處縱向均方根長(zhǎng)度約為11.5ps.這些結(jié)果表示清楚注入器運(yùn)行狀態(tài)已經(jīng)初步知足了FEL-THz裝置基本要求，但距離驅(qū)動(dòng)將來(lái)高重復(fù)頻率短波長(zhǎng)FEL的要求還有一定的差距。下一步工作重點(diǎn)將是定量研究陰極工作壽命，測(cè)量電子束能散度，并進(jìn)一步優(yōu)化電子束熱發(fā)射度、發(fā)射度、縱向長(zhǎng)度和能散等，在知足FEL-THz長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)上驗(yàn)證其驅(qū)動(dòng)將來(lái)高重復(fù)頻率短波長(zhǎng)FEL的可能性?！矆D表略〕以下為參考文獻(xiàn)：[1]EmmaP,AkreR,ArthurJ,etal.Firstlasingandoperationofanngstrom-wavelengthfree-electronlaser[J].NaturePhotonics,2018,4〔9〕：641-647.[2]PileD.X-rays:FirstlightfromSACLA[J].NaturePhotonics,2018,5〔8〕：456-457.[3]ZhaoZT,WangD,ChenJH,etal.Firstlasingofanecho-enabledharmonicgenerationfree-electronlaser[J].NaturePhotonics,2020,6〔6〕：360-363.[4]XiangD,ColbyE,DunningM,etal.Evidenceofhighharm