大面积含钪热阴极的光电发射研究

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1、万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国工程物理研究院或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：张’宝N-字RN：加一年6月3日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解并接受中国工程物理研究院研究生部有关保存、使用学位论文的规定，允许论文被查阅、借阅和送交国家有关部门或机构，同时授权中国工程物理研究院研究生部可以将学位论文全部或部分内容

2、编入有关数据库进行检索，可以影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。学位论文作者签名：张鐾签字日期：加加年6月3日新签卉'’文导师签石酉。'’灭／签字日期：D-oc。年b月j日万方数据UlIIIIIHHIMHY2906848摘要光阴极是一种广泛应用的阴极材料，自从1985年LANL研制成功第一台光阴极注入器以来，光阴极在加速器中的应用从理论和技术上都得到了很大的发展。当前发展比较成熟的直流和射频光阴极电子枪主要应用于射频加速器，由于条件所限光阴极在直线感应加速器方面的研究较少，需要开展相应的实验工作。现有的2MeV注入器实验平台可以开展冷阴极和热阴极的实验研究，通过适当地改造使系统具备

3、了开展光阴极研究的能力，主要的改动有：将观察窗材料改为石英以便透过紫外激光，增加四倍频的Nd：YAG固体激光器(266nm)并保证其正常运行，修改原有的加速器时序控制方式以满足电压脉冲和激光脉冲同步的要求。实验研究的阴极材料为100mi／1直径的钪酸盐储备式热阴极，二极管真空度优于5×10。5Pa，二极管电压调节范围是1．4MV～1．8MV，二极管间距约为14cm，激光入射方向和阴极面法向夹角为700，正常状态激光光斑直径为6mm，大部分实验中扩束后使用(直径12mm)，照射在阴极面上的面积变化范围是2．2cm2～3．3cm2(取决于激光器的状态)。实验分四个阶段进行：第一阶段主要是实现了二

4、极管电压和激光的同步，观测到稳定的光电发射波形，此外在一定条件下观测到了激光诱发的等离子体发射现象；第二阶段进一步改进同步方式和激光参数的测量，初步研究了激光能量、二极管电压、阴极温度等因素对光电发射性能的影响；第三阶段，实现了激光能量的准确测量，研究了影响光电发射的因素；第四阶段，改善实验波形，进一步研究影响光电发射的因素。实验中阴极主要工作在700℃～900℃(低于热发射阈值)，阴极面上峰值激光功率密度大部分情况下小于3MW／cm2，阳极最大的收集电流约为100A，最大的平均电流密度约为45A／cm2，在1MW激光峰值功率下测量到光电发射最大的量子效率约为2．4×10．4。文中通过解析分

5、析和ANSYS模拟，考察了激光对阴极表面加热的情况，对于本文大部分实验中的激光参数，材料表面最大温升在53℃以内，对于实验影响较小。这种方法同样可以用于考察其它参数的激光对阴极表面加热的效应。通过研究激光功率和二极管电压对阴极光电发射的影响，发现在激光功率密度较大的情况下，空间电荷限制效应比较明显。结合对阴极发射性能发射均匀性的研究，如果扩大现有激光光斑预计可以获得更大的发射电流以及量子效率。对于阴极温度对光电发射性能的影响也作了研究，结果表明在现有环境下实验时，为了保持阴极较好的光电发射性能，阴极需要始终保持加热状态，此温度比正常热发射的工作状态能够降低200℃以上，有利于延长阴极寿命、降

6、低辅助系统的工作负荷。以上结果为将来光阴极在直线感应加速器中可能的应用提供了有意义的参考。关键词：含钪储备式热阴极，光阴极，量子效率，直线感应加速器，光电发射万方数据AbstractPhotocathodeiswidelyusedinvariousfields．Alaser-drivenphoto．injectorwasfirstdemonstratedin1985inLANL，afterwards，theoriesandapplicationsofDhtocathodetechnologieshadbeendevelopedquickly．DCandRFphotocathodegunsar

7、ealreadvemployedinRFaccelerators．ApplicationofphotocathodetoLinearInductionAccelerators(LIA)hasnotmatureduptonowforLIAs’specialenvironmentandrequirements．Experimentshavebeencarriedtoresearchthisprobleminthi