[发明专利]光阴极微波电子枪

说明书

本发明涉及一种光阴极微波电子枪，该光阴极微波电子枪包括：若干加速腔，所述加速腔沿轴线相互连通；光阴极，所述光阴极布置在所述加速腔的轴线上；波导管(102)，所述波导管(102)与所述加速腔相连通；阴极盘(121)，所述阴极盘(121)的盘面中心容纳所述光阴极，所述阴极盘(121)的围绕盘面中心的位置处设有若干真空通道(123)，每个所述真空通道(123)连通所述阴极盘(121)的盘面两侧；以及真空腔(131)，所述真空腔(131)和所述加速腔分别连接所述阴极盘(121)的盘面两侧，通过所述阴极盘(121)上的所述真空通道(123)相互连通。

技术领域

本发明涉及一种光阴极微波电子枪，该光阴极微波电子枪用于产生高亮度电子束，包括：若干加速腔，所述加速腔沿轴线相互连通；光阴极，所述光阴极布置在所述加速腔的轴线上；和波导管，所述波导管与所述加速腔相连通。

背景技术

当今科学研究发展的重大趋势之一是高度关注非平衡态下物质结构的演化与多自由度耦合先进的科研工具，是应对“研究内容由静态平均过渡到动态结构，由局部现象扩展到系统行为”这一科学范式变革的强有力支撑。超快X射线光子以及电子探针装置，即X射线自由电子激光(XFEL)和超快电子衍射与成像(UED/UEM)装置，同时具备飞秒级的脉冲长度和埃级的波长，有能力在原子级的时间、空间、能量和动量尺度上直接观测物质结构，实现在原子尺度上观察、理解、进而控制物质与能量。近年来，世界主要科研国家投入大量的资金和人力，推动先进XFEL大科学设施与 UED/UEM装置的研发、建设与科学实验，已经在量子材料、化学、生命、能源、纳米、高能量密度物理等基础和应用研究方面获得了大量突破性的结果。

超快X射线光子和电子探针装置的成功都极其依赖先进电子源及其产生的高品质电子束。XFEL装置中，首先产生高品质的电子束，电子束在波荡器中产生相应高品质的X射线脉冲；电子探针装置中，直接利用高品质电子束探测物质的结构动力学过程。现有在运行、建设和设计阶段的超快光子和电子探针装置几乎均采用光电发射阴极(简称光阴极)电子枪为电子源，这是目前和可预期未来内，产生电子束亮度最高、稳定性最高、可重复性最高的首选方式。电子源的性能对以上装置的整体性能有决定性影响。

目前高品质电子源主要来源于光阴极微波电子枪。光阴极微波电子枪采用光阴极作为电子束的来源，利用激光驱动，激发产生一定电荷量的光电子，再由微波场将光电子加速，离开光阴极。电子源中光电发射的过程是决定电子束品质的核心。研究表明，高发射电场和拥有高量子效率、低热发射度的阴极是电子枪进一步提高电子束亮度的必备条件。高发射电场已在多种电子枪中实现，例如S波段(2856MHz或2999MHz)微波电子枪，峰值梯度可达120MV/m。理论计算表明，电子枪出口处的电子束的亮度正比于发射电场，例如当电子束的纵向尺寸远大于横向尺寸时，亮度正比于电场的1.5次方。

半导体阴极是当前高品质光阴极的主要代表，如碱锑阴极系列，包括锑化铯(Cs₃Sb)，锑铯钾(K₂CsSb)等。以K₂CsSb为例，在532nm激光的驱动下，它的量子效率可以达到4％到10％，相应的热发射度可低于0.56mm mrad/mm。与常用的金属阴极相比，半导体阴极在量子效率方面高出2～3个量级，在热发射度方面则可减少20％以上，优势显著。当入射光子能量在光电阈值附近时，碱锑阴极可以产生接近常温极限的热发射度的电子束。因此，碱锑阴极是下一代高亮度电子枪的首选阴极之一。运行半导体阴极的主要缺点在于其较容易与真空环境中的剩余气体，如氧气，发生反应，生成其他物质，使得在同一波长激光驱动下的量子效率显著降低。这一缺点极大的影响了碱锑阴极在电子枪中的寿命。有研究表明，碱锑阴极的静态寿命与真空度成反比，在真空度优于10^-10mbar时，寿命可长于5000小时，可以满足运行的需求。