負(fù)電子親和勢(shì)砷化鎵光陰極熱發(fā)射度測(cè)量

吳 岱，潘 清，肖德鑫，李 凱，楊仁俊，王建新，張海旸

（中國(guó)工程物理研究院 應(yīng)用電子學(xué)研究所，四川 綿陽(yáng) 621900）

近年來(lái)，低重頻短波長(zhǎng)自由電子激光（FEL）的發(fā)展［1-3］使高亮度光陰極注入器的發(fā)射度已逐漸逼近其陰極熱發(fā)射度。作為下一代高平均功率FEL 電子源的最重要材料之一［4-6］，負(fù)電子親和勢(shì)砷化鎵（NEA-GaAs）光陰極一直以來(lái)都是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

熱發(fā)射度又被稱為本征發(fā)射度，是陰極固有的發(fā)射度，與陰極的發(fā)射機(jī)理有關(guān)。NEAGaAs光陰極由于存在電子-聲子散射和載流子熱化，其熱發(fā)射度既不同于一般半導(dǎo)體陰極，也不同于熱陰極，而是同時(shí)具有二者的性質(zhì)［7］，并主要與激發(fā)光波長(zhǎng)、陰極的NEA 狀態(tài)和能帶結(jié)構(gòu)、陰極表面溫度、粗糙度以及表面電磁場(chǎng)有關(guān)，精確測(cè)量熱發(fā)射度對(duì)于定性直流高壓光陰極注入器的高亮度具有重要意義。但由于不同的陰極有不同的熱發(fā)射度，因此目前NEAGaAs熱發(fā)射度的測(cè)量結(jié)果［8-10］存在一定的差別，主要測(cè)量結(jié)果介于0.23～0.8 mm·mrad之間（束斑均方根尺寸歸一化到1mm）。

空間電荷力是電子槍內(nèi)發(fā)射度增長(zhǎng)的主要原因，測(cè)量熱發(fā)射度的方法是將電荷量降低至1pC以下，以消除空間電荷力的影響。對(duì)于金屬陰極，如銅陰極、鎂陰極等，較低的占空比和較高的暗電流使得電荷量難以降低至極低范圍，很難低于100fC［11］。

本文基于中國(guó)工程物理研究院的FELTHz裝置［12］上的高壓直流電子槍［13］，采用極低電荷量（28fC）下的螺線管掃描法測(cè)量NEAGaAs光陰極熱發(fā)射度，研究NEA-GaAs熱發(fā)射度物理模型、測(cè)量原理、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建。

1 熱發(fā)射度物理模型

電子束一維歸一化發(fā)射度的定義為：

其中：x 和px分別為單個(gè)電子在x 方向上的橫向位置和動(dòng)量；〈〉為對(duì)束團(tuán)內(nèi)的所有電子取平均值；me為電子的靜止質(zhì)量；c為真空中的光速；下標(biāo)n表示歸一化。若假設(shè)光電子的能量與發(fā)射角度隨機(jī)分布，即電子的初始散角與位置無(wú)關(guān)，則此時(shí)的發(fā)射度為熱發(fā)射度，用εth，n，x表示：

將式（3）代入式（2）得到熱平衡電子束的熱發(fā)射度：

對(duì)于無(wú)延時(shí)發(fā)射的半導(dǎo)體陰極，其熱發(fā)射度表達(dá)式與金屬陰極類(lèi)似，只是用電子親合勢(shì)EA與帶隙Eg之和代替金屬的功函數(shù)：

其中：hν為光子能量；下標(biāo)semi表示一般半導(dǎo)體光陰極。

對(duì)于Cs／O 激活的NEA-GaAs光陰極，一部分電子無(wú)延時(shí)地發(fā)射到真空中，其發(fā)射度遵循式（5），而另一部分由于電子-聲子散射和載流子熱化，將迅速與晶格達(dá)到熱平衡，其發(fā)射度遵循式（4），但由于陰極溫度遠(yuǎn)低于熱陰極，因此由此計(jì)算的熱發(fā)射度也低于熱陰極的。研究［7］發(fā) 現(xiàn)，當(dāng) 激 發(fā) 光 波 長(zhǎng) 大 于880 nm 時(shí)，NEA-GaAs光陰極與熱陰極無(wú)異，發(fā)射度遵循式（4），而當(dāng)波長(zhǎng)小于880nm時(shí)，發(fā)射度來(lái)自于式（4）、（5）共同的貢獻(xiàn)。

對(duì)于室溫條件（T⊥＝293.15K），均方根尺寸為1mm 的電子束，激發(fā)光波長(zhǎng)為532nm，通過(guò) 式（4）、（5）計(jì) 算 得 到 熱 發(fā) 射 度εth，n，x＝0.22mm·mrad和εsemi，n，x＝0.78mm·mrad。

2 測(cè)量原理及實(shí)驗(yàn)布局

在極低電荷量下，忽略空間電荷力對(duì)束流包絡(luò)的影響，可采用線性傳輸矩陣來(lái)描述電子束流動(dòng)力學(xué)，因此可采用線性束流光學(xué)下測(cè)量發(fā)射度的螺線管掃描法測(cè)量熱發(fā)射度。通過(guò)改變螺線管聚焦磁場(chǎng)的大小，可得到一線性方程組，其方程形式為：其中：σi為第i 個(gè)聚焦強(qiáng)度電子束橫向均方根尺寸；M 為螺線管入口到束斑測(cè)量點(diǎn)的傳輸矩陣；σ11，0、σ12，0和σ22，0為螺線管入口處電子束的Σ 矩陣元素，即要擬合的未知數(shù)。通過(guò)不斷改變聚焦強(qiáng)度，理論計(jì)算得到不同的M 矩陣，并測(cè)量不同的σi，通過(guò)最小二乘法擬合可得到螺線管入口處的發(fā)射度：

為消除螺線管帶來(lái)的x、y 方向運(yùn)動(dòng)耦合，計(jì)算M 矩陣時(shí)采用沿z 軸旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系，薄透鏡近似下M 矩陣［14］變?yōu)椋?/p>

其中：Q0＝eB0／2mv，為單位距離內(nèi)坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的角度；φ＝Q0L，為經(jīng)過(guò)透鏡后坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的角度，L 為透鏡長(zhǎng)度。由于螺線管中薄透鏡近似不再適用，因此將螺線管磁場(chǎng)從測(cè)量面開(kāi)始每0.5cm 劃分為1小段，每小段均采用薄透鏡近似，其內(nèi)部的磁場(chǎng)采用矩形近似，再將這樣得到的一系列矩陣相乘，從而得到總M 矩陣。

螺線管掃描法測(cè)量NEA-GaAs光陰極熱發(fā)射度的實(shí)驗(yàn)布局如圖1所示。以陰極表面為坐標(biāo)原點(diǎn)，電子槍機(jī)械出口位于12.4cm 處，螺線管中心位于31.7cm 處，YAG 觀測(cè)屏測(cè)量電子束橫向尺寸的測(cè)量點(diǎn)位于90.6cm 處。兩組導(dǎo)向磁鐵用于矯正地磁場(chǎng)的影響，使得電子束盡量沿螺線管磁軸運(yùn)動(dòng)，并保證電子束轟擊到Y(jié)AG 屏上。

圖1 螺線管掃描法測(cè)量NEA-GaAs光陰極熱發(fā)射度實(shí)驗(yàn)布局示意圖Fig.1 Layout of solenoid scan method for measurement of NEA-GaAs photocathode thermal emittance

電子槍束線的縱向歸一化電場(chǎng)與磁場(chǎng)分布如圖2所示。選取距離陰極10.5cm 處為測(cè)量面，因?yàn)榧词乖跍y(cè)量時(shí)采用最大電流（5.8A），該處的螺線管磁場(chǎng)也僅為2.5Gs，而此處的電場(chǎng)基本為0V／m，相空間在此處由螺線管磁場(chǎng)引起的變化基本可忽略。

圖2 束線的縱向歸一化電場(chǎng)與磁場(chǎng)分布Fig.2 Distributions of normalized electron and magnetic fields

由于具有較高的量子效率（＞1%）、較低的暗電流（低于微安表測(cè)量下限）以及占空比可調(diào)的驅(qū)動(dòng)激光［15］，因此可將FEL-THz裝置上的NEA-GaAs光陰極的電子束單束團(tuán)電荷量調(diào)節(jié)至極低的范圍。

將驅(qū)動(dòng)激光聚焦到橫向均方根尺寸為1mm，照射到陰極表面。為增加測(cè)量信噪比，使激光工作在1μs、4kHz的宏脈沖模式下。將電子束調(diào)節(jié)至YAG 屏上，再調(diào)節(jié)導(dǎo)向磁鐵使得改變螺線管磁場(chǎng)時(shí)束斑在屏上位置不變，此時(shí)電子束位于螺線管磁軸中心，然后將激光器調(diào)為連續(xù)模式。可采用皮安表測(cè)量法拉第筒處收集到的電流，或通過(guò)電子槍電源測(cè)量電子束電流。皮安表上存在約0.33μA 的本底電流，250kV 時(shí)電子槍電源上存在約170μA 的本底電流，在較大電流情況下扣除本底，二者測(cè)量值相對(duì)偏差不超過(guò)1%，并與ICT 測(cè)量數(shù)據(jù)吻合；在極小電流下，由于本底較高，電子槍電源能測(cè)量的最小電流為幾十μA，而皮安表為1μA左右。最終選取的最小電流下，皮安表讀數(shù)為1.86μA，扣除本底后單束團(tuán)電荷量為28fC，由于占空比較高，這一電荷量下暗電流并不明顯，而宏脈沖產(chǎn)生的激發(fā)光斑需將CCD鏡頭的光圈減小到幾乎最小，因此束斑測(cè)量信噪比較高。

3 結(jié)果及討論

實(shí)驗(yàn)中選取y 方向作為測(cè)量方向。圖3為電子束斑隨螺線管磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz變化的情況，圖中電子束斑采用偽彩圖作圖，因此在不同的最大亮度與本底間對(duì)比時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的顏色效果，電子束斑下方為y 方向相機(jī)采樣結(jié)果及其高斯擬合。由于采用的是沿z 軸旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)系，因此測(cè)量的圖像需經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)處理，總 的 旋 轉(zhuǎn) 角 度 為∑iQ0（i）L0，其 中L0＝0.5cm。由圖3可看出，隨著螺線管磁場(chǎng)的增大，束斑先減小后增大，高斯擬合的誤差也隨之先減小后增大。

采用最小二乘法擬合電荷量約為28fC 時(shí)電子束的歸一化熱發(fā)射度，結(jié)果如圖4 所示。熱發(fā)射度測(cè)量值εn＝（0.603±0.002）mm·mrad。由此還可計(jì)算出y 向的平均能量MTEy＝mec2ε2n，rms／（2σ2x）＝97meV。其中的測(cè)量誤差主要來(lái)自于擬合誤差，包括束斑高斯擬合以及熱發(fā)射度最小二乘擬合。

圖3 不同螺線管磁感應(yīng)強(qiáng)度下的電子束橫向分布Fig.3 Transverse distribution of electron beam under different magnetic inductions

圖4 螺線管掃描結(jié)果的最小二乘擬合Fig.4 Least-squares fit of solenoid scanned results

為進(jìn)行比較，還測(cè)量了電荷量Q 分別為289fC和806fC的熱發(fā)射度，結(jié)果如圖5所示。由圖5 可見(jiàn)，測(cè)量結(jié)果均在0.60～0.78 mm·mrad之間，銦焊陰極初始量子效率不高，NEA 狀態(tài)不深，并采用532nm 激光激發(fā)，接近于一般半導(dǎo)體陰極，因此熱發(fā)射度應(yīng)更加接近0.78 mm·mrad，與前文理論分析結(jié)果吻合。此外，由于沒(méi)有考慮粗糙度以及場(chǎng)增強(qiáng)因子的影響，因此測(cè)得的是總的熱發(fā)射度，也可認(rèn)為是熱發(fā)射度的上限。

圖5 不同電荷量下得到的熱發(fā)射度Fig.5 Thermal emittance versus beam charge

4 結(jié)論

介紹了NEA-GaAs光陰極熱發(fā)射度的物理模型，在光斑均方根尺寸為1mm 的情況下，理論計(jì)算得其熱發(fā)射度數(shù)值范圍在0.22～0.78mm·mrad之間。基于FEL-THz裝置的光陰極直流高壓電子槍，在28fC極低電荷量下，采用螺線管掃描法測(cè)量的NEA-GaAs光陰極的熱發(fā)射度為（0.603±0.002）mm·mrad，并對(duì)比了較大電荷量下的測(cè)量結(jié)果。結(jié)果表明，F(xiàn)ELTHz裝置電子源可提供熱發(fā)射度低于1mm·mrad、橫向平均能量低于100meV 的高亮度電子束。

［1］ EMMA P，AKRE R，ARTHUR J，et al.First lasing and operation of an?ngstrom-wavelength free electron laser［J］.Nature Photonics，2010，4（9）：641-647.

［2］ PILE D.X-rays：First light from SACLA［J］.Nature Photonics，2011，5（8）：456-457.

［3］ HARA T.Free-electron lasers：Fully coherent soft X-rays at FERMI［J］.Nature Photonics，2013，7（11）：852-854.

［4］ LIU Z，SUN Y，PETERSON S，et al.Photoemission study of C-NF3activated GaAs（100）negative electron affinity photocathodes［J］.Applied Physics Letters，2008，92（24）：241107.

［5］ SINCLAIR C K.DC photoemission electron guns as ERL sources［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A，2006，557（1）：69-74.

［6］ KURIKI M，SHONAKA C，IIJAMA H，et al.Dark-lifetime degradation of GaAs photo-cathode at higher temperature［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A，2011，637（S1）：87-90.

［7］ DOWELL D，BAZAROV I，DUNHAM B，et al.Cathode R&D for future light sources［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A，2010，622（3）：685-697.

［8］ DUNHAM B，CARDMAN L，SINCLAIR C.Emittance measurements for the Illinois／CEBAF polarized electron source［C］∥Particle Accelerator Conference.［S.l.］：［s.n.］，1995：1 030-1 032.

［9］ YAMAMOTO N，YAMAMOTO M，KUWAHARA M，et al.Thermal emittance measurements for electronbeams produced from bulk and superlattice negative electron affinity photocathodes［J］.Journal of Applied Physics，2007，102（2）：024904.

［10］BAZAROV I，DUNHAM B M，LI Y，et al.Thermal emittance and response time from NEA photocathodes［J］.Journal of Applied Physics，2008，103（5）：054901.

［11］錢(qián)厚俊.光陰極微波電子槍的發(fā)射度問(wèn)題研究［D］.北京：清華大學(xué)，2012.

［12］許州，楊興繁，黎明，等.高平均功率太赫茲自由電子激光裝置設(shè)計(jì)［J］.太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào)，2013，11（1）：1-6.XU Zhou，YANG Xingfan，LI Ming，et al.Design of a high average power terahertz-FEL facility［J］.Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology，2013，11（1）：1-6（in Chinese）.

［13］王漢斌，楊興繁，潘清，等.光陰極直流高壓電子槍工程設(shè)計(jì)［J］.強(qiáng)激光與粒子束，2013，25（增刊）：145-148.WANG Hanbin，YANG Xingfan，PAN Qing，et al.Engineering design of photoemission DC high voltage electron gun［J］.High Power Laser and Particle Beams，2013，25（S0）：145-148（in Chinese）.

［14］向?qū)?高亮度電子束發(fā)射度、束長(zhǎng)和束斑的先進(jìn)測(cè)量方法研究［D］.北京：清華大學(xué)，2008.

［15］CHEN Y N，YANG X F，LI M，et al.The driving laser for FEL［C］∥Free Electron Laser Conference.［S.l.］：［s.n.］，2011：349-351.