直线感应加速器用光阴极实验的研究.pdfVIP

第22卷第3期 强 激 光 与 粒 子 束 V01．22，No．3 2010年3月 HIGHPOWERLASERANDPARTICI。EBEAMS Mar．，2010 文章编号： 1001—4322(2010)03一0583一04 直线感应加速器用光阴极实验研究+ 张 篁， 陈德彪， 江孝国， 夏连胜， 刘星光， 谌 怡， 章林文 (中国工程物理研究院流体物理研究所，四川绵阳621900) 摘要： 通过适当地改造2MeV注入器实验平台，使系统具备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，增加266nm固体激光器，对原有的时序控制方式进行修改以满足同步触发方面的 要求。研究的阴极材料为含钪储备式热阴极，实验中最高加热到了740℃，观测到了光电发射和光致等离子体 发射现象，最大的激光功率密度为1．3Mw／cm2，最大发射电流密度约为16A／cm2，光电发射的量子效率约为 0．05‰。 关键词：直线感应加速器； 光阴极； 固体激光器； 储备式热阴极； 等离子体 中图分类号：TL503．3；0462．3文献标志码：A 注入器是直线感应加速器的重要组成部分，它为后续的加速和输运过程提供初始的粒子束。由于直线感 应加速器要求的流强比较高，通常达到kA，有些甚至能够达到MA量级，所以常用的是场发射阴极和热阴极。 这里的场发射阴极包含由场引起的等离子体发射阴极，典型材料如天鹅绒[1]。光阴极是一种常用的阴极材料， 它在光检测里得到了广泛应用。自从1985年第一台光阴极注入器研制成功以来，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[2{]。加速器用光阴极方面的研究，主要关注点是高亮度，因为光阴极初始 亮度可以达到1012A／(m·tad)2。光阴极在加速器领域的用途主要是自由电子激光、正负电子对撞机、新概念 加速器等，它在直线感应加速器方面的研究并不多[6．9]，主要受两方面条件限制：一个是相关的实验平台少，另 kA 一个是对激光器要求比较高。相对论电子束实验平台(REX)使用准分子气体激光器和Al阴极，获得了2 的发射电流，证实光阴极在直线感应加速器上的应用是可行的[1争12]。阴极材料的光电发射能力常用无量纲的 量子效率来描述。光子能量低于材料的功函数时，量子效率接近于0，光子能量高于功函数时量子效率是与材 料相关的量，量级是从10-8到1。对于同一种材料，波长越短，光子能量越高，量子效率越高。电流密度受限于 阴极材料的损伤阈值(很大的光强)，实验中获得的最大发射电流密度达到1kA／cm2。 目前还没有一种光阴极材料能够满足低的功函数、高量子效率、对残余气体不敏感、小的延迟时间等特性。 很高。针对不同的使用环境，需要选择不同的阴极材料，在所需的波长范围还需要有对应的激光系统可以使 用，假如量子效率较低，就会对激光器的输出能量提出较高要求，这可能无法满足或者会带来成本、可靠性及稳 定性方面的其它问题。开展直感加速器用光阴极方面的研究，就是为了寻找适合的阴极材料和激光系统，为今 后可能的应用作准备。 1实验装置和布局 。 实验在2MeV注入器平台上开展，2MeV平台原本主要用于冷阴极方面的研究u}¨]，改造后也可用于热 阴极的研究，当前系统的真空度能够达到5．0×105Pa以下。可以用来作为光阴极的材料很多，主要有半导 体材料，金属材料、热阴极材料、铁电体材料、金刚石膜等。半导体材料的量子效率虽然很高，可达10％以上， 但是对环境要求很高，工作真空度要求在10叫Pa以上。根据现有条件和可以获得的材料，选择金属材料和热 阴极材料作为研究对象，首先开展了含钪热阴极的光电发射研究。含钪热阴极也是储备式阴极的一种，它在B 型阴极中加入了Sc。0。，由于它的发射不依靠表面薄层，所以对机械损伤和毒化作用相对不敏感。 实验系统的结构如图1所示，通过感应叠加的方式在阴阳极之间产生高压，激光通过观察窗口进入，照射 在阴极面上，发射出来的束流在二极管间加速后进入阳极孑L被法拉第筒收集。窗口采用的是一块石英玻璃， ·收稿日期：2009—1l一0