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CAEP光阴极RF腔注入器

作　者: 李正红
导　师: 胡克松
学　校: 中国工程物理研究院北京研究生部
专　业: 核技术及应用
关键词: 光阴极RF腔注入器驱动激光器电子束能量脉冲宽度金属与金属化合物电子能量自锁模激光器激光脉冲量子效率发射度
分类号: TL503.3
类　型: 博士论文
年　份: 2000年
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内容摘要

光阴极RF腔注入器是一种能产生高流强、低能散、低发射度电子束的高亮度电子束注入器，同热阴极RF腔注入器相比，这种注入器涉及到一些不同的物理和技术方面的问题。在光阴极RF腔注入器中，电子束的时间结构由驱动激光控制、消除了热阴极RF腔注入器中的电子反轰效应，RF腔中加速场强较高，电子束受到的空间电荷效应得到很好的控制。同时，驱动激光器的参数、阴极材料的选择和制备工艺也直接影响该注入器电子束的品质。本论文针对CAEP光阴极RF腔注入器的特点，从理论和实验上研究了驱动激光器、光阴极和光阴极RF腔涉及的有关物理问题。该注入器采用四倍频Nd：YAG锁模激光器驱动、半导体（Cs₂Te）为光阴极、L波段（2+0.5）腔为加速腔、工作频率1.3GHz、和KL-28速调管组成的微波系统作为功率源。现己获得很好的实验结果：束流70A，电子能量2MeV，发射度4mm.mrad，束团徽脉冲宽度10ps，微脉冲重复频率81.25MHz，宏脉冲宽度2.5us，宏脉冲重复频率为3.125Hz。作为驱动激光，要求激光脉冲的时间抖动小、微脉冲宽度窄、脉冲功率高。通过研究锁模激光器的工作原理、皮秒激光脉冲的放大和信频过程，我们提出并采用了二极管泵浦的自锁模激光器改进原来灯泵浦锁模的驱动激光器，改进后驱动激光器的激光脉冲时间抖动小于2ps，微脉冲宽度由原来的60—80ps降到10ps，激光脉冲功率提高一个量级，满足了注入器的要求。作为光阴极材料，要求量子效率高，工作稳定。在注入器实验中采用半导体（Cs₂Te）作为光阴极，该光阴极工作稳定、量子效率高、使用寿命长；实验中在注入器装置上制备Cs₂Te阴极，制备过程中用紫外灯监测阴极性能，而且在真空中将制备好的Cs₂Te阴极传递到RF腔中进行实验。除了半导体（Cs₂Te）阴极，我们还研究了金属（Sm、Cu等）和金属化合物（LaB₆）阴极的光电发射特性。论文给出了KrF准分子激光和四倍频Nd：YAG锁模激光器驱动下，金属（Sm、Cu、Y等）、金属化合物（LaB₆）和半导体（Cs₂Te）光阴极的实验结果、以及关于金属与金属化合物阴极在真空中提高量子效率的处理方法和有关实验结果的分析。光阴极RF腔的场强较高，尤其是首腔（CAEP光阴极RF腔注入器的首腔轴向平均场强为26MV/m，阴极表面场强为37MV/m）。在首腔中电子从阴极表面发射后，在强场作用下，很快达到相对论状态，电子受到的空间电荷效应得到很好的控制。在研究RF腔中电子的运动中，论文将电子在RF腔中的运动分为阴极表面附近的非相对论运动和远离阴极表面后的相对论运动，由此根据RF 摘要腔轴上轴向电场的强度（可用拟合解析式求得）、驱动激光的入射相位和脉冲宽度等条件，给出了电子的纵向运动表达式，包括电子能量、出口相位、电子束能散和束团长度等参数。在电子束的横向运动研究中，根据电子的横向运动特点和电子束均方根发射度的定义，研究了近轴条件下电子束的均方根包络半径和发射度增长。在光阴极注人器实验中，电子束参数（发射度、能散、流强和束团纵向长度）的测量很重要。在实验中，束团长度（电子束微脉冲宽度）是根据驱动激光的微脉冲宽度来取值的，近似等于驱动激光的微脉冲宽度；电子束的发射度是根据包络方程，采用两屏法来测量的；在测量电子束流强和电子能量中，通过偏转磁场将电子束偏转输出，用法拉第筒测量记录偏转输出的束流脉冲电荷，实现电子能量和柬流脉冲强度的测量。论文创新之处： l、针对不同金属及金属化合物材料，建立了一套系统的在真空中处理阴极的方法及理论分析，使得典型的金属或金属化合物光阴极材料的量子效率有量级的提高。 2、首次用分段处理方法，分析、研究光阴极RF腔注入器中电子的运动和加速过程，获得了输出束流参数（包括电子束能量、能散、束团纵向长度、电子束横向发射度和包络等参数）与驱动激光参数的关系。 3、提出并采用二极管泵浦的自锁模激光器哑100和时间同步器0X—1000改进原声光锁模振荡器和激光器，解决了激光脉冲同微波脉冲的相位同步控制和调节，激光脉冲宽度由原来的 60－100PS减小到 10PS、激光脉冲同标准信号之间的时间抖动达到了G矿＜Zps，满足光阴极 RF腔注入器对驱动激光器的要求。在光阴极RF腔注入器实验中，获得了：电子能量ZMeV、束流流强70A、发射度4mm．mr。d，亮度达到4X101。A／，的高亮度电子束流。

全文目录

插图  95-6
中文摘要  6-8
Abstact  8-11
第一章绪论  11-26
  1、光阴极RF腔注入器简介  11-17
    1．1、高亮度电子束需求的背景  11-12
    1．2、加速器中三种类型的注入器  12-13
      1．2．1 常规加速器的注入器  12
      1．2．2 热阴极RF腔注入器  12
      1．2．3 光阴极RF腔注入器  12-13
    1．3、光阴极注入器的反展  13-17
  2、光阴极RF腔注入器的主要物理特征  17-20
    2．1、光阴极RF腔注入器基本结构  17
    2．2、光阴极RF腔注入器产生高亮度电子束的物理依据  17-18
    2．3、光阴极RF腔注入器的技术限制  18-20
  3、论文主要内容  20-21
  4、论文主要贡献与创新  21-26
    4．1、论文主要贡献  21-22
    4．2、论文创新  22-23
    参考文献  23-26
第二章驱动激光器技术  26-44
  1、驱动激光器性能指标及要求  26
  2、驱动激光器组成结构及工作原理  26-35
    2．1、连续波锁模振荡腔  27-32
      2．1．1 声光锁模  27-28
      2．1．2 二极管泵浦的锁模激光器  28-29
      2．1．3 时间同步器  29-32
    2．2、激光脉冲放大  32-34
    2．3、倍频  34-35
  3， CAEP光阴极注入器的驱动激光器  35-40
    3．1、驱动激光器结构及参数  35-36
    3．2、锁模振荡腔  36-37
    3．3、激光放大过程  37-40
      3．3．1 泵浦灯放电过程  37-38
      3．3．2 激光放大  38-39
      3．3．3 实验结果  39-40
  4、本章小结  40-42
  参考文献  42-44
第三章光阴极  44-59
  1、简介  44
  2、光阴极的光电发射原理  44-47
    2．1、金属光电反射理论  45
    2．2、半导体光电发射理论  45-46
    2．3、外场对光电流的影响（Schottky效应）  46-47
  3、光阴极实验装置  47-48
  4、金属及金属化合物光阴极研究  48-50
    4．1、金属及金属化合物在真空中的处理  48
    4．2、金属光阴极  48-49
    4．3、金属化合物光阴极  49-50
  5、半导体光阴极（Cs_2Te）的制备和测试  50-52
    5．1、简介  50
    5．2、制备工艺  50
    5．3、性能  50-51
    5．4、 Cs_2Te光阴极实验  51-52
  6，光阴极电子束的初始发射度研究  52-56
    6．1、光阴极电子束的初始发射度理论  52-53
    6．2、光阴极电子束的初始发射度测量（多孔板法）  53-56
  7、本章小结  56-57
  参考文献  57-59
第四章束流动力学研究  59-81
  1 加速腔中的电磁场分布与电子运动方程  59-62
    1．1、加速腔内电磁场  59-60
    1．2、 RF腔中电子运动方程  60-61
    1．3、 CAEP光阴极注入器RF腔  61-62
  2、光阴极RF腔中电子的纵向运动  62-69
    2．1、电子在RF腔中的运动简述  62-63
    2．2、电子在RF腔中的运动分析  63-65
      2．2．1 阴极表面附近的相对论运动非运动  63-64
      2．2．2 远离阴极表面后的相对论运动分析  64-65
    2．3、电子束的能散和纵向长度  65-69
  3、光阴极RF腔中电子束的横向作用力  69-72
    3．1、空间电荷力  70-71
    3．2、射频场作用力  71
    3．3、外加轴向聚焦磁场的作用力  71-72
  4 注入器出口处电子束包络和横向发射度  72-77
    4．1、电子束包络方程  72-74
    4．2、电子的横向动量  74-76
      4．2．1 射频效应  74-75
      4．2．2 空间电荷效应  75
      4．2．3 轴向聚焦磁场作用  75-76
    4．3、注入器出口处电子束的横向发射度  76-77
  5、本章小结  77-78
  参考文献  78-81
第五章光阴极注入器实验  81-92
  1、实验装置  81-82
  2、电子束参数测量方法  82-86
    2．1、束发射度测量  82-83
    2．2、电子束流强测量  83-85
    2．3、电子能量测量  85-86
  3 实验测试结果  86-89
    3．1、电子束流强及能量  86-87
    3．2、发射度测量  87-89
  4、本章小结  89-90
  参考文献  90-92
结束语  92-93
致谢  93-94
论文期间发表的论文  94-95

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