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加速器使用的电子源有哪些?各有什么优缺点?

【浅酌的回答(96票)】:

@gyroscope, 谢邀。你这是专门给我出的题目吗?题目好大,我博士论文就是写这个的。这里只能简单讲讲了。

加速器的电子枪中的阴极可以分成

1.热发射,2.光发射,3.场致发射。当然把这几个结合一下就有了:4.热增强-光发射,5:场增强-光发射。还有一种 6. 电子放大增强式阴极, 我也不知道归在那类。。。我自己玩过的有热阴极,光阴极,场致阴极,放大器阴极,场增强光发射。

在加速器中考虑一种阴极好不好用,是看热发射度,寿命,发射效率,响应时间。每个都是坑。因为还没有什么阴极每个性能都很好的。所以在设计阶段,就要想好什么最重要,再进行选择。

1. 首先讲热发射,真空电子管就是用热发射阴极的。常见的如老式显像管电视,古董示波器之类的。现在都见不到了。玩高端音响中还能见到真空管,毕竟功率大嘛。

热发射的原理就是束缚态的电子由于高温改变了分布,在高能端形成了个拖尾。如果电子的能量大于材料功函数的话,加上外加电场,电子就发射出来了。热阴极材料有很多,主流的就是LaB6类的低温热材料。热发射的原理就是束缚态的电子由于高温改变了分布,在高能端形成了个拖尾。如果电子的能量大于材料功函数的话,加上外加电场,电子就发射出来了。热阴极材料有很多,主流的就是LaB6类的低温热材料。

好处是寿命长,横向发射度低,简单,成熟。发射度低就是说电子的温度低,才到1400~1800度。用我们加速器界常用的单位也就个0.12~0.15eV. 这么好的东西当然大家都喜欢。所以一二三代光源基本都采用热阴极做电子源。

但是热阴极最大的问题是其产生的束团都很长。有点能散后,纵向发射度就很可观了。在射频枪中有一堆严重的问题。所以对电子束长度有很高要求的设备就不会采用。当然做热阴极的人是不甘心的,他们也逆天般得搞出了加上栅网的短束团。像FEL这样的对超短束团有极高要求的装置一般是不会采用的。但是!凡事都有例外。这就是Spring8 FEL,牛逼的日本人用高频把一部分不需要的电子偏转掉,剩下纳秒级别长度的束团,然后使劲压缩,倒也搞到了飞秒级别。他们本来可以用光阴极的,但是作为用户装置,稳定长时间提供高流强的束流是最重要的,所以他们放弃的光阴极。

2. 光发射阴极

因为热阴极的束团长度是个难点,所以激光发明之后,很快就用在产生电子上。因为激光的长度比较容易达到超快,所以用激光产生的束团基本就是短束团了,很好控制。

光阴极分成三大类:

一种是金属光阴极,响应紫外激光,就是爱神拿诺奖参考的实验。金属阴极寿命长,发射度也凑活。当然比热阴极是要差的。毕竟266nm的激光打上去,除去跃迁时的能量,电子的温度怎么也大于0.4eV。而且金属阴极效率很低,一般10000个光子也就打出1个电子,做得极好的勉勉强强能到1000个光子打一个电子。所以要玩高流强的时候就傻了,不要说高功率的紫外激光不好做,就是做出来了,打在金属上,金属也得被打坏。LCLS不需要高流强,所以用铜就够好了。还有金属镁也很好,很好的,但他们就是不用。当然下一代追求高流强的LCLS II就不会再用金属阴极了。不过做金属阴极的人自然不甘心效率低的恶名,所以也开发了表面镀各种材料或掺杂实现高效率,最近几年进步挺大。

之后就有了第二种半导体光阴极。里面有碲化物,锑化物和III-V化合物几种。效率比金属高多了,基本是10个光子打出一个电子。原理就不说了,不然就直接复制我博士论文得了。很重要的是其中锑化物和III-V化合物在绿光,甚至红外光就能产生电子。这样激光只要一次倍频,激光能量就高很多,而且整形也比较容易。由于激光波长长,光子能量低,那么电子温度就低,品质也好。世上哪有这么好的事,好的都占,那别的阴极还活不活了。半导体阴极最大的问题就是寿命低。直接限制了在用户装置的应用。现在基本还处在RD中。那探测中微子的光电倍增管就是镀了锑化物作光电转换材料,只是他们的要求不如加速器的各种要求高。碲化物寿命还可以,只能用紫外光, 未来LCLS II可能会用它。但是在讨论10mA以上的强流装置,没得选,只有锑化物。电子冷却,对撞机,高功率的自由电子激光都得用到这个阴极。III-V族晶体有另外特殊的用处,就是做极化电子束,那是另一大类的讨论。这个大类的阴极是我的主业。

第三大类可以称之为工程设计光阴极。就是人造一些材料,实现非线性的光发射。比如在金表面刻蚀后,和高功率的红外激光耦合,形成表面等离子体,产生电子流。当然也不是非要刻蚀。一旦功率高了之后,非线性效应会越来越显著。就出现了多光子效应。这样的材料就不能用单一的效率去评价了,因为随着激光功率的提高,效率就越高。所以这个材料的发展要看破坏极限在哪里。现在看来还是不如半导体阴极的。工程设计类阴极还可以镀多层设计好的膜产生各种用途。这里不细讲了。

这个表是我在一个邀请报告上扯淡的一片,权当给前面的话一个总结。

下面这个图就是各种常见半导体的光谱响应。当然是要挑QE高的,波长长的那些。而且寿命得长。我上面写的V-III族就是这个图里的GaAs, GaN,GaAsP, InGaAs这类的,只是他们的寿命短得可怜,我正在改进他们。

3 场发射3 场发射

又是一大类,现在电子显微镜基本用的都是场发射阴极。就是削尖的材料在高场强中电子通过隧穿发射出来的。电子的能量还没有表面的势垒高。单针尖发射发射度就好得不得了啊,而且寿命也是逆天的长。所以是成像类的加速器的大爱。早先用金属钨,现在用硅,金刚石的比较多。碳纳米管近几年也开始用了。针尖多一点流强也不小。缺点嘛,单针尖流强太小,要流强大还要高场强。场强一高就容易打坏。多针尖后散角太大,发射度又不那么好了。然后就得搞栅网聚焦,如下图。

还有电场也不是那么好控制的,要产生短束团的场发射,射频枪还得特殊的设计。弄不好就变成人见人怕,鬼见鬼愁的暗电流了。我自己在做纳米针尖金刚石场发射阴极。我觉得这个方向未来潜力挺大的。还有电场也不是那么好控制的,要产生短束团的场发射,射频枪还得特殊的设计。弄不好就变成人见人怕,鬼见鬼愁的暗电流了。我自己在做纳米针尖金刚石场发射阴极。我觉得这个方向未来潜力挺大的。

写了那么多才写的一半。我自己贡献最大的放大器类阴极还没有写,人气高的话再慢慢补充吧。这东西一不小心会写得太难,就变成炸同行。写的简单了就没法严谨,反正原则是不讲原理,只讲结论,通俗易懂为先。

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