高平均流强NEA GaAs光阴极工作寿命的影响机制研究

Semiconductor photocathode electron source plays a significant role in the path to the realization of the future high average power short wavelength free electron lasers. At high average power operation status,one of the major physical problems is the operational lifetime of photocathode, which is also the main limitations of the photocathode technology development. In this project, the influence mechanisms of the operational lifetime will be explored based on the negative electron affinity (NEA) GaAs photocathode high-voltage DC electron injector which has been assembled in China Academy of Engineering Physics (CAEP). The research includes the following aspects: 1. The establishment of a quantitative physical model of operational which takes all the factors that affect the NEA GaAs operation life-time into account, i. e., vacuum, temperature and ion back-bombardment; 2. The exploration for lifetime influenced by ion back-bombardment and stray photons with Monte Carlo simulations; 3. Some experiments to realize long time high average current beam delivery of the DC injector. The methods and results of these studies can provide theoretical and experimental support for the future high average power high brightness photocathode-injectors.

半导体光阴极是驱动未来高平均功率短波长自由电子激光的最关键电子源之一。阴极在高平均功率状态下的工作寿命是目前限制半导体光阴极用于高重复频率高亮度电子源的核心物理问题。本课题围绕中国工程物理研究院现有的负电子亲和势砷化镓光阴极注入器，拟针对下一代先进光源驱动电子源，对砷化镓光阴极工作寿命的影响机制进行探索性研究，主要研究内容包括：①综合真空度、温度和离子反轰三大影响因素，建立砷化镓光阴极工作寿命的定量物理模型；②通过蒙特卡洛模拟，探索离子反轰和杂散光对工作寿命的影响机制；③优化实现电子束高平均功率高亮度稳定输出。本课题的研究成果将为未来高平均功率高亮度光阴极注入器提供理论与实验支持。

半导体光阴极是驱动未来高平均功率短波长自由电子激光的最关键电子源之一。阴极在高平均功率状态下的工作寿命是目前限制半导体光阴极用于高亮度电子源的核心物理问题之一。. 本课题围绕中国工程物理研究院现有的负电子亲和势砷化镓光阴极注入器，在高重复频率太赫兹自由电子激光装置上，开展了砷化镓光阴极工作寿命的影响机制研究，主要研究内容包括：①建立砷化镓光阴极工作寿命的定量物理模型；②通过量子效率成像的方法，原位研究了阴极表面量子效率变化的微观动态过程；③通过优化，实现电子束高平均功率高亮度稳定输出，保证了太赫兹自由电子激光的顺利出光和稳定运行。. 通过研究表明，对于GaAs半导体光阴极而言，在暗室条件下，真空度是影响其阴极寿命的最关键因素；当处于激光照射的工作条件下，阴极表面温度和离子反轰将对阴极产生影响。GaAs光阴极在温度达到~45摄氏度时即出现工作寿命下降加快的拐点，这一性质决定其无法工作于量子效率较低时的强流状态；在平面型阴极表面，束线上反轰的离子成高斯分布于阴极表面中心，通过电子束偏轴发射和设计阳极偏压可以有效降低离子反轰的影响。. 本课题的研究，明晰了GaAs光阴极工作寿命的影响因素，明确了GaAs的适用范围和优缺点，首创了量子效率成像的方法，通过优化极大的提高了GaAs光阴极的工作寿命，其研究方法同样适用于其他半导体光阴极，为高平均功率自由电子激光等装置的应用提供了理论支持和技术储备。目前本课题的方法已经开始用于研究纳米金材料等离激元场增强结构阴极的研究。