發(fā)布時間：2018-08-17 16:15

【摘要】：砷化鎵(Ga As)類光陰極已經(jīng)被廣泛用于為電子槍提供自旋極化電子束。為滿足現(xiàn)代電子加速器的苛刻需求,這些光陰極必須具備以下特征:高量子效率、高電子自旋極化度和較長的工作壽命。高質(zhì)量光陰極會極大地推動新型電子加速器的成功建造,為新物理現(xiàn)象的探索研究提供有力的工具和手段。本論文涉及幾方面有關極化光陰極的研究,旨在量化和進一步理解現(xiàn)有砷化鎵類光陰極的局限性并提出有效方法改善其性能以滿足目前和未來先進電子加速器的應用需求。基于砷化鎵的應變超晶格光陰極是目前唯一能夠為電子加速器提供高極化度(~90%)電子束流的陰極材料,其主要缺點是量子效率低(~1%)。雖然這種光陰極已經(jīng)被成功用于大型加速器(比如美國托馬斯-杰斐遜國家實驗室的連續(xù)電子束加速器裝置CEBAF)的運行,但是它們已經(jīng)不能滿足新型電子加速器對強流電子束(需求1~50mA)的緊迫需求了。大幅度提高這種光陰極的量子效率已迫在眉睫。本論文研究了一種具有分布式布拉格反射器(Distributed Bragg Reflector,簡稱DBR)結(jié)構(gòu)的應變GaAs/GaAsP超晶格光陰極,通過嚴格的參數(shù)設計和反復的實驗優(yōu)化,在保持高極化度的同時成功地實現(xiàn)了量子效率的突破,遠遠超出現(xiàn)有高極化度光陰極,比現(xiàn)有水平提高了數(shù)倍。這一突破性成果為正在預研的若干下一代電子加速器提供了重要設計參數(shù),也將使目前國際上急需的毫安量級強流極化電子源的研制進程顯著縮短。光陰極壽命是電子槍的重要品質(zhì)參數(shù)之一,長壽命是電子槍提供持續(xù)穩(wěn)定束流的基礎。雖然人們已經(jīng)意識到限制現(xiàn)代直流高壓電子槍中光陰極壽命的主要機制之一是離子反轟效應。然而至今為止,離子反轟效應對光陰極的影響并未得到系統(tǒng)性地研究,人們對其中許多物理機制尚不甚清楚。本論文首次詳細研究并評估了光陰極量子效率衰減(或壽命)對離子反轟效應的敏感性,并得出電子槍使用砷化鎵光陰極的最佳切面選擇是(110)切面的重要結(jié)論。本研究結(jié)果對電子槍研究者理解和進一步探索離子反轟效應,以及今后進一步提高電子槍工作壽命提供了重要參考。由于電子在材料內(nèi)部和表面激活層內(nèi)會發(fā)生去極化過程(自旋弛豫),典型非應變砷化鎵光陰極產(chǎn)生的極化度通常情況下小于其理論極限值50%。本論文全面闡述了光陰極材料的去極化機制,并進行了系統(tǒng)的實驗研究,對溫度、摻雜濃度、激活層和晶體切向等因素對極化度的影響進行了細致的評估。其中一個重要發(fā)現(xiàn)是,當?shù)蛽诫s濃度的光陰極樣品在冷卻到77 K時,可產(chǎn)生與理論極限值相當?shù)臉O化度(52%)。本研究結(jié)果使得人們更進一步加深了對光陰極中電子損失自旋極化度的機理的理解,進而對用光陰極產(chǎn)生更高極化度的電子束的工作具有指導性意義。本論文還探索了一種新穎的應變超晶格結(jié)構(gòu):GaAsSb/AlGaAs光陰極,并取得了初步結(jié)果。雖然實驗結(jié)果與希望值有明顯差距,但本研究成果為后續(xù)發(fā)展高極化度光陰極提供了可以直接借鑒的研究基礎。本論文的最后簡單介紹了利用托馬斯-杰斐遜國家實驗室的注入器測試裝置實現(xiàn)高能強流極化電子束的準備工作。
[Abstract]:Ga As photocathodes have been widely used to provide spin-polarized electron beams for electron guns. To meet the harsh demands of modern electron accelerators, these photocathodes must have the following characteristics: high quantum efficiency, high electron spin polarization and long working life. High quality photocathodes will greatly promote new electron accelerators. Successful construction provides a powerful tool and means for exploring new physical phenomena. This paper deals with several aspects of polarized photocathodes, aiming to quantify and further understand the limitations of existing gallium arsenide photocathodes and propose effective ways to improve their performance to meet the current and future applications of advanced electron accelerators. GaAs-based strained superlattice photocathodes are currently the only cathode material capable of providing highly polarized (~90%) electron beams for electron accelerators. The main drawback is the low quantum efficiency (~1%). The accelerator CEBAF is running, but they can no longer meet the urgent needs of the new type electron accelerator for high-current electron beams (1-50mA). It is imminent to greatly improve the quantum efficiency of this photocathode. In this paper, a distributed Bragg Reflector (DBR) structure is studied. Strained GaAs/GaAsP superlattice photocathodes have successfully achieved a breakthrough in quantum efficiency while maintaining high polarization through rigorous parameter design and repeated experimental optimization. This breakthrough is several times higher than the existing level and far beyond the presence of high polarization photocathodes. This breakthrough is being achieved in several next-generation electron accelerators under research. The photocathode lifetime is one of the most important quality parameters of the electron gun, and the long lifetime is the basis for the electron gun to provide a sustained and stable beam. One of the main mechanisms of cathode lifetime is ion bombardment. However, the effect of ion bombardment on the photocathode has not been systematically studied so far, and many of its physical mechanisms are still unclear. The results of this study provide important reference for electron gun researchers to understand and further explore the ion bombardment effect and to further improve the gun working life in the future. The depolarization process (spin relaxation) occurs and the polarization degree of typical unstrained gallium arsenide photocathodes is usually less than 50% of the theoretical limit. In this paper, the depolarization mechanism of photocathode materials is described comprehensively, and the effects of temperature, doping concentration, activation layer and crystal tangent on the polarization degree are studied experimentally. One of the important findings is that when the photocathode sample with low doping concentration is cooled to 77 K, it produces a polarization equivalent to the theoretical limit (52%). A novel strained superlattice structure, GaAsSb/AlGaAs photocathode, has been explored and preliminary results have been obtained. Although there is a clear gap between the experimental results and the expected values, the results of this study provide a direct reference for the future development of high polarization photocathodes. In the end of this paper, the preparation of high-energy and high-current polarized electron beams by using the injector testing device of Thomas-Jefferson National Laboratory is introduced.
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院近代物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TL503.3

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本文編號：2188195