大面積含鈧熱陰極的光電發(fā)射研究.pdf

1、光陰極是一種廣泛應用的陰極材料，自從1985年LANL研制成功第一臺光陰極注入器以來，光陰極在加速器中的應用從理論和技術上都得到了很大的發(fā)展。當前發(fā)展比較成熟的直流和射頻光陰極電子槍主要應用于射頻加速器，由于條件所限光陰極在直線感應加速器方面的研究較少，需要開展相應的實驗工作。
　　現(xiàn)有的2MeV注入器實驗平臺可以開展冷陰極和熱陰極的實驗研究，通過適當?shù)馗脑焓瓜到y(tǒng)具備了開展光陰極研究的能力，主要的改動有:將觀察窗材料改為石英以便透

2、過紫外激光，增加四倍頻的Nd∶YAG固體激光器(266nm)并保證其正常運行，修改原有的加速器時序控制方式以滿足電壓脈沖和激光脈沖同步的要求。實驗研究的陰極材料為100 mm直徑的鈧酸鹽儲備式熱陰極，二極管真空度優(yōu)于5×10-5 Pa，二極管電壓調(diào)節(jié)范圍是1.4MV～1.8MV，二極管間距約為14 cm，激光入射方向和陰極面法向夾角為70°，正常狀態(tài)激光光斑直徑為6mm，大部分實驗中擴束后使用（直徑12 mm），照射在陰極面上的面積變化

3、范圍是2.2cm2～3.3cm2（取決于激光器的狀態(tài)）。
　　實驗分四個階段進行:第一階段主要是實現(xiàn)了二極管電壓和激光的同步，觀測到穩(wěn)定的光電發(fā)射波形，此外在一定條件下觀測到了激光誘發(fā)的等離子體發(fā)射現(xiàn)象;第二階段進一步改進同步方式和激光參數(shù)的測量，初步研究了激光能量、二極管電壓、陰極溫度等因素對光電發(fā)射性能的影響;第三階段，實現(xiàn)了激光能量的準確測量，研究了影響光電發(fā)射的因素;第四階段，改善實驗波形，進一步研究影響光電發(fā)射的因素。<

4、br>　　實驗中陰極主要工作在700℃～900℃（低于熱發(fā)射閾值），陰極面上峰值激光功率密度大部分情況下小于3 MW/cm2，陽極最大的收集電流約為100 A，最大的平均電流密度約為45 A/cm2，在1 MW激光峰值功率下測量到光電發(fā)射最大的量子效率約為2.4×10-4。
　　文中通過解析分析和ANSYS模擬，考察了激光對陰極表面加熱的情況，對于本文大部分實驗中的激光參數(shù)，材料表面最大溫升在53℃以內(nèi)，對于實驗影響較小。這種方法

5、同樣可以用于考察其它參數(shù)的激光對陰極表面加熱的效應。
　　通過研究激光功率和二極管電壓對陰極光電發(fā)射的影響，發(fā)現(xiàn)在激光功率密度較大的情況下，空間電荷限制效應比較明顯。結合對陰極發(fā)射性能發(fā)射均勻性的研究，如果擴大現(xiàn)有激光光斑預計可以獲得更大的發(fā)射電流以及量子效率。對于陰極溫度對光電發(fā)射性能的影響也作了研究，結果表明在現(xiàn)有環(huán)境下實驗時，為了保持陰極較好的光電發(fā)射性能，陰極需要始終保持加熱狀態(tài)，此溫度比正常熱發(fā)射的工作狀態(tài)能夠降低200