金刚石放大光阴极物理及原理性实验研究

The diamond secondary electron amplified photocathode recently got more and more research and Application as a promise method with the creation of high average-current, high brightness electron beams.The diamond amplified photocathod provides a high gain and robust performance.In addition,being a negative eletron affinity(NEA) cathode, it promises to deliver a very small thermal emittance. So it is necesarry for design a beam transportation system to measure and simulate the emittance and other character of emission electron beam. In order to optimize design of the electron gun performance, the secondary emission beam and their different characteristics (such as thickness, concentration and purity of type, metal surface coating surface and NEA surface ) in the diamaond sample must be understood, but to understand the diamond amplifier and photocathode injection system of combination problem. In order to solve this problem, we must simulate electronic production as well as the charge transfer process in diamond. Design and development of a hot cathode DC high voltage electron gun system is used to measure the current gain effect of diamond photocathode in emission mode and scendary electron beam characteristics, as a follow-up to the diamond secondary electronic amplified photocathode electron gun system research and application foundation.

金刚石二次电子放大光阴极作为一种很有前途的获得高流强、高亮度电子束的手段，近些年得到越来越多的研究探索和应用。金刚石放大光阴极具有大的增益和耐用性，作为一个负电子亲和势（NEA）阴极，能够传送一个非常小热发射度的电子束团。因此，需要设计一个束流输运系统，目标是模拟和测量发射电子束的发射度以及电子束其它特性。为了最优化电子枪设计的性能，需要理解二次电子的产生以及它们在不同特性（厚度、浓度和纯度类型、金属镀膜表面和负电子亲和势表面作用）金刚石样本中的传输，还要理解金刚石放大器与完整光阴极注入系统的结合问题。为了解决这一问题，我们必须模拟电子产生以及电荷在金刚石中传输的过程。设计和研制一个热阴极直流高压电子枪系统用来测量金刚石光阴极在发射模式下的电流增益效果和二次电子束的特性,作为后续金刚石二次电子放大光阴极电子枪系统研究和应用的基础。

近年来，世界各大加速器实验室都在研制平均流强达到安培量级的高亮度光阴极注入器，以用于各种大型加速器装置，比如超高功率自由电子激光（FEL）、能量回收直线加速器（ERL）、电子冷却强子加速器等。.合肥国家同步辐射实验室正在进行第四代光源和短波长自由电子激光的研究，光阴极注入器是研究重点之一。金刚石放大光阴极电子枪是一种可以获得高平均流强、高亮度、低发射度电子束的新型电子枪，应用前景广阔。模拟计算的结果显示，几千电子伏特的初级电子束照射在镀有金属膜的金刚石窗上，次级电子从具有负电子亲和势的另一端发射出来，可以产生两个数量级的电子增益效果，同时电子束流在增益前后发射度变化不大。这为获得高品质（高流强、高亮度、低发射度）的电子束流提供了很有前景的应用方案。.本次报告首先简单介绍了金刚石放大器的放大原理及其五大优势，介绍了相关模拟工作，如自编写蒙卡程序，基于光学介电模型，模拟初次电子在金刚石中的倍增过程，得到了镀层金属对初次电子造成的能量损失大小，初次电子在金刚石的最大射程以及二次电子的左边被截断的高斯分布；再如利用VSIM软件基于PIC算法进行了二次电子输运的数值模拟，得到电子增益倍数与电子束流能量、流强，材料以及外界环境等因素的关系，并给出了电子束流测量相关的方案。介绍可用于金刚石放大器放大原理验证实验的栅控型热阴极电子枪的设计以及相关Opera-3D和CST的模拟结果，也就放大后的电子束的发射度测量进行了相关理论研究，推导了相关公式，并给出了相应的测量方法，并且使用相关模拟软件如CST和ASTRA验证了该测量方法，完成了放大后电子束发射度测量系统的物理设计。最后我们介绍了实验部分的进展，包括进行金刚石放大光阴极放大原理验证的实验装置的相关主要器件，如电子枪，真空腔体与真空泵，测量电流的皮安表和给金刚石膜施加电压的高压电源等，并展望了下一步的工作目标。