激光加载对NEA半导体光阴极激活层的破坏机理研究

The negative electron affinity (NEA) semiconductor photocathode injector is one of the key technologies which promote future high average power free electron laser (FEL) and energy recovery linac (ERL). The laser loading would destroy the activation layer of the NEA semiconductor photocathode and affect the life time of injector electron source, which is a major limitation for the development of semiconductor photocathode electron source technology. In this thesis the physical model of destruction of laser loading on NEA semiconductor photocathode activation layer would be established, and the studies would be conducted on thermal damage, impact stress and laser plasma damage of the activation layer affected by laser loading both theoretically and experimentally for various of activation layers. The results can provide theoretical support for the life time improvement of the NEA semiconductor photocathode and technology reserve for future high average power and high brightness photocathode-injector.

负电子亲和势半导体光阴极注入器是推动未来高平均功率自由电子激光和能量回收型直线加速器发展的最关键的技术之一。激光加载会对负电子亲和势半导体光阴极的激活层产生破坏，影响注入器电子源的工作寿命，是目前半导体光阴极电子源技术发展的主要限制之一。本课题拟建立激光加载对负电子亲和势半导体光阴极激活层破坏的物理模型，从理论和实验上研究激光加载对激活层造成的热损伤、冲击应力损伤和激光等离子体损伤，并针对不同的激活层开展研究工作。本课题的研究成果将为提高负电子亲和势半导体光阴极工作寿命提供理论支持，对未来高平均功率高亮度光阴极注入器提供技术储备。

本项目通过NEA-GaAs光阴极的构成原理，推断阴极表面的激活层是吸附在GaAs晶体表面的化学吸附单分子层，激活层分子的脱附速率决定了NEA-GaAs光阴极寿命。根据固体表面吸附理论，建立了NEA-GaAs光阴极激活层分子脱附的真空气压模型和表面温度模型。当真空气压越小时NEA-GaAs光阴极暗室寿命越长的测量结果，验证了真空气压模型的正确性。在相同真空气压的室温条件下，比较了（Cs-O）和（Cs-F）两种激活层的NEA-GaAs光阴极暗室寿命，证明了NEA-GaAs光阴极寿命与激活层分子的脱附能相关。根据强度为高斯分布的瞬时脉冲激光在被照射物体表面形成的温度场公式，建立了加载激光在阴极表面光斑中心形成的温升模型，指出激光对阴极表面造成的热损伤由瞬时温升和累积温升共同确定，给出了激光所致阴极表面的瞬时温升和累积温升的数学表达式，并定性地开展了相关的验证实验。要使阴极具有较长的工作寿命，必须采用低瞬时温升的低脉冲峰值功率密度驱动激光，必须采取增强阴极热传导降低阴极表面累积温升速率的措施。另外，在满足实验要求的条件下，驱动激光采用低占空比的宏脉冲工作模式，可以在很大程度上降低阴极的激光热损伤，有效延长阴极的使用期限。由于CTFEL装置中光阴极注入器的阴极采取增强热传导的设计和措施，减缓了激光对阴极造成的热损伤，提高了NEA-GaAs光阴极的工作寿命，实现了CTFEL装置光阴极注入器的稳定运行。