CN111769017B

CN111769017B - 光阴极微波电子枪

Info

Publication number: CN111769017B
Application number: CN202010664695.9A
Authority: CN
Inventors: 李任恺; 黄鹏玮; 杜应超; 郑连敏; 唐传祥; 黄文会; 陈怀璧; 施嘉儒
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2020-07-10
Filing date: 2020-07-10
Publication date: 2021-05-14
Anticipated expiration: 2040-07-10
Also published as: CN111769017A

Abstract

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。

Description

光阴极微波电子枪

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。

目前，能够在高梯度电子枪中长期运行的半导体阴极只有Cs₂Te。Cs₂Te 阴极对真空相对不敏感，可以在10^-9mbar真空下运行数月。但Cs₂Te光电发射阈值较高，需要紫外激光驱动才能产生大量电子，并且热发射度高于碱锑阴极。紫外激光需要从红外激光多次倍频得到，相比绿激光(532nm)，激光能量损失严重，利用率低。同时在激光整形方面，绿激光也更易于实现。因此，使用碱锑阴极势在必行。

现有的高梯度微波电子枪在真空方面缺少优化，在运行状态下，基本维持在10^- ⁹mbar的真空度。这无法满足碱锑阴极的长期运行的需求。目前的真空设计，真空泵位置远离阴极所在的腔室，不存在直接对其所在腔室的真空优化，造成阴极所接触到真空环境并非最佳，而实际上碱锑阴极对真空的需求是电子枪中最高的。同时，真空泵与加速腔的连接管道没有优化处理，降低了真空流导，限制了真空泵的有效抽速。

目前，国际上尚未有真空度优于10^-10mbar的高梯度光阴极微波电子枪的设计。

目前高梯度电子枪的设计和加工十分成熟，以清华大学为例，拥有丰富的S波段高梯度光阴极微波电子枪的设计和加工经验。加速腔，阴极盘，真空腔，四极孔外延真空管道，在现有技术下均可以实现。腔室表面针对高真空需求的处理工艺也已经掌握。

因此，希望能够对现有电子枪进一步优化，进一步提高电子枪的真空度，在高梯度下使用对真空敏感的阴极材料，从而实现高真空和高梯度的结合。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了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；和波导管，所述波导管与所述加速腔相连通；阴极盘，所述阴极盘的盘面中心容纳所述阴极，所述阴极盘的围绕盘面中心的位置处设有若干真空通道，每个所述真空通道连通所述阴极盘的盘面两侧；以及真空腔，所述真空腔和所述加速腔分别连接、优选焊接在所述阴极盘的盘面两侧，通过所述阴极盘上的所述真空通道相互连通。

该电子枪拥有极高的真空度，适用于运行对真空度敏感的先进光阴极，如高量子效率的碱锑半导体阴极。该电子枪同时能够在脉冲模式下实现高梯度的微波电场(～100MV/m)，能够满足高亮度电子束的需求，适用于对电子束品质有较高要求的科学装置，如自由电子激光，超快电子衍射/成像。

该光阴极微波电子枪在脉冲工作模式下，加速腔轴线上的峰值梯度最高可达到100MV/m，并且能够在光阴极处实现。根据现有的运行经验和模拟结果，在最高梯度运行下，重复频率可以达到100Hz。阴极处的真空可以达到大约8×10^-11mbar。

由于阴极盘上设置有连通加速腔和真空腔的真空通道，因而加速腔壁上释放的气体能够通过阴极盘的真空通道进入真空腔，从而提高阴极处的真空度。在此，阴极盘将加速腔与真空腔隔开。这样，单独布置的真空腔中即可布置吸气泵而不改变加速腔中的微波条件。

传统的S波段电子枪，通常在波导连接处添加真空泵，如离子泵。这样的结果使得半腔，即阴极所在处，离真空泵最远，因此真空度是电子枪中最差的。相反，本发明的上述技术方案中，在阴极盘上提供真空通道，并在阴极盘内设计了真空腔，使得半腔与阴极盘后的真空腔相连接。真空腔侧面可插入多个真空泵，如吸气泵。这使得抽真空的位置大大靠近阴极，抽真空的能力也大大增强，从而使半腔的真空度得到极大的改善。

优选的是，加速腔是一个半腔和若干整腔，阴极盘形成半腔的底面，使得阴极面与所述阴极盘的盘面在正常工作状态下处于同一平面。更优选的是，加速腔恰好是一个半腔和一个整腔。两个分别作为半腔和整腔的加速腔沿轴线相互连通。阴极发射的电子束则沿半腔和整腔的轴线发出。

在根据本发明的一种优选实施形式中，光阴极微波电子枪的阴极盘具有整体都布置在所述阴极盘内部的若干冷却管。阴极盘在电子枪处于工作状态下，表面会有较大的表面电流通过，引起发热。设置专门的冷却系统，能够提高重复频率的限制，减少与腔壁之间的温差带来的热应力和变形，避免影响结构和共振频率。因此阴极盘的冷却系统十分必要。由于阴极盘前后均为真空环境，为了不产生水管与真空环境的焊缝，我们采用内置的冷却管，杜绝了漏水进入真空的可能。

这种冷却管整体布置在阴极盘内的设计可以通过在所述阴极盘内部钻孔或一体铸造等方式实现。总之，冷却管与所述阴极盘暴露于真空的真空面间不存在焊缝。

阴极盘内即有贯通阴极盘盘面两侧的真空通道，又要布置冷却管。在此，真空通道的大小应综合考虑对腔内电场分布和真空以及阴极盘内置冷却管的影响。从真空的角度来说，真空流导与真空通道的直径的三次方成正比，通道直径的增加，将极大的提高真空流导，从而提高有效抽速。另一方面，真空管道在阴极盘面的边缘会导致场增强。而且，为了实现阴极盘的冷却而布置的内置的冷却管也限制了真空管道的大小。

优选的是，所述阴极盘的每条冷却管由与阴极盘的外周相连通的两条相互垂直的连通管道构成，分布在所述阴极盘的盘面上的所述真空通道之间。根据模拟，真空管道间的区域在阴极盘范围内发热最为严重，所以这种设计可以提高冷却的效率。模拟表明，阴极盘的冷却系统可以及时排走微波场存在时带来的热量。这也提供了一种简便的加工方法，因为每条冷却管可以通过在阴极盘的外周上的两个位置垂直地钻孔至汇合而形成。当然，在其它的替代实施例中，也可以将部分或全部冷却管不实现为这种相互垂直的直角形式，而只是通过成其它角度的两条与阴极盘的外周相连通的连通管道构成。

在根据本发明的一种优选实施形式中，在阴极盘上的真空通道呈圆通孔状，且圆周对称地分布于所述阴极盘的在所述加速腔的内壁内侧靠近所述加速腔的内壁的边缘区域，例如共有8个。实际上，这些真空通道所处的位置使得阴极盘的径向最外缘区域与加速腔、真空腔固定连接(例如焊接)后，在径向上尽量靠近加速腔的内壁内侧，因为离中心越远，空间越大，这些圆通孔就容易开得越大，同时对中心的场形影响较小。当然，这些作为真空通道的圆通孔也可以布置得在径向上靠近阴极盘的中心孔，同样可以通过真空通道及真空腔实现真空优化的目的。

在根据本发明的一种优选实施形式中，阴极盘设有与半导体阴极对应的标准阴极插头相匹配的结构，以使得作为阴极的半导体阴极能够插接到阴极盘上。

在根据本发明的一种优选实施形式中，为实现高真空，所述真空腔被设计为适于从侧面插入多个吸气泵，在所述插入的情况下，所述真空腔的中央仍留有能使带有阴极插头的磁力杆穿过的空间。由此，可以以插入的吸气泵吸收来自阴极盘前端、即加速腔内的气体，提高阴极所处的真空水平。

另外，还可以更有效地利用加速腔中的特定结构提高真空度。在根据本发明的一种优选实施形式中，加速腔的整腔通过微波孔与所述波导管相连通，而在所述微波孔的直径对侧则设有真空孔，所述真空孔能够直接与真空泵相连通或通过适当的真空管路与真空泵相连通。另外，还可以利用加速腔中的两个四极孔抽真空。优选的是，加速腔的整腔的外周上在真空孔和微波孔之间的位置处布置有四极孔，四极孔的外接管道内布置有吸气泵，从而提高加速腔的真空。更优选的是，四极孔与所述吸气泵之间具有管径增大的中段。四极孔外接管道两端的直径分别适应于四极孔孔径和吸气泵，而中段则管径增大，因为吸气泵的主要作用面积在侧面，管径增大带来的更广阔的空间有利于充分利用吸气泵的侧面积，提高吸气泵吸收的效率。

在根据本发明的一种优选实施形式中，除了四极孔、真空孔之外，加速腔侧面还设有可供激光射入所述加速腔的激光孔。

合适的阴极盘的厚度使微波不会泄漏到后面的真空腔。一方面，理论上阴极盘越厚，阴极盘上的真空通道开孔越深，微波场在通道中场强会下降的越多，通道出口处的场强越低，真空腔打火的概率就越低。另一方面，阴极盘越厚，对抽真空越不利。因此，在通道出口处的微波场强随厚度增长下降到基本不变的时候，也就是阴极盘的最佳厚度。

另外，阴极盘上的真空通道边缘做了倒角处理，避免场增强带来的打火。原理上来说，对真空通道边缘的倒角处理，提高了轴线上的电场峰值，从而提高了阴极的有效电场输出。如果对真空通道边缘不进行倒角处理，保留其尖锐的边缘，那么尖锐的边缘会带来显著的场增强的效果。进行倒角处理后虽然也会导致场增强，但是场增强的倍数大大减小，实际上可以减小打火的概率。

因此，在根据本发明的一种优选实施形式中，所述阴极盘的厚度选择为使得所述阴极盘上的所述真空通道的靠近所述真空腔的末端的微波场基本可以忽略。优选的是，阴极盘的厚度为20毫米。

本发明的光阴极微波电子枪显著地改善了阴极所处的真空环境，使真空度可好于10^-10mbar，因此，将高梯度和高真空的需求相结合，既提高低热发射度的碱锑阴极的在电子枪中的运行寿命，又提高了出口电子束的极限亮度。

附图说明

下面结合附图阐释本发明的实施例。在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明的光阴极微波电子枪的整体结构；

图2示意性地示出了根据本发明的光阴极微波电子枪的阴极盘的结构；

图3A示意性地示出了根据本发明的光阴极微波电子枪的真空腔的侧视图；

图3B示意性地示出了根据本发明的光阴极微波电子枪的真空腔的横截面视图；

图4A示意性地示出了根据本发明的光阴极微波电子枪的四极孔外接管道的轮廓形状；

图4B示意性地示出了根据本发明的光阴极微波电子枪的四极孔外接管道装配有吸气泵之后的剖面视图；

图5示意性地示出了对根据本发明的光阴极微波电子枪进行的真空模拟结果；

图6示意性地示出了根据本发明的光阴极微波电子枪的阴极盘的厚度与阴极盘上的真空通道的出口处的微波场强之间的关系。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1示意性地示出了光阴极微波电子枪的整体结构。本电子枪计划在 2856MHz的微波下工作。在此实施例中，微波电子枪包括：加速腔，加速腔沿轴线相互连通；光阴极，光阴极布置在加速腔的轴线上；和波导管102，波导管102与加速腔相连通；阴极盘121，阴极盘121的盘面中心容纳光阴极，阴极盘121的围绕盘面中心的位置处设有若干真空通道，每个真空通道连通阴极盘121的盘面两侧；真空腔131，真空腔131和加速腔分别连接阴极盘121的盘面两侧，通过阴极盘121上的真空通道相互连通。

加速腔、阴极盘121、波导管102、冷却管124所用材质均为无氧铜，其他均为不锈钢。加速腔包含一个整腔101和一个半腔111。阴极盘121为半腔底面，正常工作状态下，阴极面与阴极盘面在同一平面上。真空腔131 位于阴极盘121之后，由阴极盘121上的真空通道与半腔111连通，可有效吸附从半腔111扩散进入真空腔131的气体。半腔111和整腔101沿轴线相互连通。整腔101上方接有波导管102，用于微波馈入。微波孔的直径对侧是真空孔，既可以抵消单侧微波馈入带来的二极场，又可以通过真空管道容纳或连接真空泵，例如离子泵或吸气泵。在微波孔和真空孔之间的位置，也就是整腔101的两侧，布置有四极孔，用于抵消整腔中的四极场，优化束流品质。四极孔外接管道103可容纳或连接真空泵，例如离子泵或吸气泵，用于整腔101的真空优化。加速腔侧面可以任选地布置激光孔105，斜入射的激光可通过激光孔105及其连通的激光管道射入加速腔中。

图2示意性地示出阴极盘的基本结构。中央的孔与载有半导体薄膜的阴极插头相匹配。周围的八个孔是真空通道123，连接半腔和真空腔。真空通道123边缘做了倒角处理，避免场增强带来的打火。阴极盘121采用内置的冷却管124，共分为四组，每组一进一出，垂直相接，经过真空通道的中间，提高冷却的效率。由于阴极盘121的开孔，阻断了表面电流的传输。横向磁场在腔的边缘处占主导，相应的表面电流更大，因此在孔的边缘表面电流的密度较大，发热相对严重，冷却管应尽可能布置在其周围。

由于阴极盘121冷却效果显著，因此发热压力小于半腔和整腔，根据本发明的电子枪发热最为严重的位置为波导馈入口。

图3示意性地示出真空腔的基本结构。真空腔131周围可以插入若干吸气泵，在此为四个吸气泵。在吸气泵插入之后，依然具有足够的空间让带有阴极插头的磁力杆穿过。真空腔131后连接阴极置换系统，可以更换半导体阴极。

图4示意性的示出四极孔外接管道的基本结构。真空管分为三段，前段和加速腔整腔上的孔相匹配，末段与CF35的法兰相匹配。中段106则具有增大的管径，以扩大空间而有利于提高吸气的效率，因为吸气泵主要通过侧面吸收气体。这种三段式的结构，中央的半径加大可以使吸气效率提高30％。

图5示意性地示出了对根据本发明的光阴极微波电子枪进行的真空模拟结果。采用基于分子流模型的真空粒子蒙特卡洛模拟软件MOLFLOW+对电子枪的3D模型进行模拟，模拟结果表明阴极处的真空达到大约8×10^-11毫巴，完全满足有关半导体阴极的真空度要求。

图6示意性地示出了根据本发明的光阴极微波电子枪的阴极盘的厚度与阴极盘上的真空通道出口处微波场强之间的关系。根据模拟的结果来看，在厚度达到20毫米之后场强就基本不变，说明此时影响已经可以忽略。考虑到越厚对抽真空越不利，因此可选择阴极盘的厚度为20毫米，此时对应的真空通道的直径为12.75毫米。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，但是本领域的普通技术人员可以理解：在不背离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换、变型以及任意组合，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

附图标记列表

101 整腔

102 波导管

103 四极孔外接管道

104 真空孔

105 激光孔

106 四极孔外接管道的中段

111 半腔

121 阴极盘

123 真空通道

124 冷却管

131 真空腔

132 真空腔开孔

133 真空泵

143 真空泵。

Claims

1.一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，所述加速腔包含一个半腔(111)和若干整腔(101)；

光阴极，所述光阴极布置在所述加速腔的轴线上；和

波导管(102)，所述波导管(102)与所述加速腔相连通，

其特征在于，所述微波电子枪还包括：

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；

真空腔(131)，所述真空腔(131)和所述加速腔分别连接在所述阴极盘(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，

其中，所述阴极盘(121)形成所述半腔(111)的底面，使得阴极面与所述阴极盘(121)的盘面在正常工作状态下处于同一平面。

2.根据权利要求1所述的光阴极微波电子枪，其特征在于，所述加速腔包含一个半腔(111)和一个整腔(101)。

3.根据权利要求1或2任一项所述的光阴极微波电子枪，其特征在于，所述阴极盘(121)具有在所述阴极盘(121)的盘面区域内整体都布置在所述阴极盘(121)内部的若干冷却管(124)。

4.根据权利要求3所述的光阴极微波电子枪，其特征在于，所述冷却管(124)是通过在所述阴极盘(121)内部钻孔或一体铸造的方式形成的。

5.根据权利要求4所述的光阴极微波电子枪，其特征在于，所述阴极盘(121)的每条冷却管(124)由与所述阴极盘(121)的外周相连通的两条相互垂直的连通管道构成，分布在所述阴极盘(121)的盘面上的所述真空通道(123)之间。

6.根据权利要求1或2所述的光阴极微波电子枪，其特征在于，所述真空腔(131)被设计为适于从侧面插入多个吸气泵，在所述吸气泵插入的情况下，所述真空腔(131)的中央仍留有能使带有阴极插头的磁力杆穿过的空间。

7.根据权利要求1或2所述的光阴极微波电子枪，其特征在于，所述加速腔的整腔(101)通过微波孔与所述波导管(102)相连通，并且所述加速腔在所述微波孔的直径对侧还具有真空孔(104)，所述真空孔(104)能够直接或间接地与真空泵(133)相连通。

8.根据权利要求7所述的光阴极微波电子枪，其特征在于，在所述加速腔的整腔(101)的外周上所述真空孔(104)和所述微波孔之间的位置处布置有四极孔，所述四极孔的外接管道(103)内布置有吸气泵。

9.根据权利要求8所述的光阴极微波电子枪，其特征在于，所述四极孔与所述吸气泵之间具有管径增大的中段(106)。

10.根据权利要求1或2所述的光阴极微波电子枪，其特征在于，所述加速腔侧面设有可供激光射入所述加速腔的激光孔(105)。

11.根据权利要求1或2所述的光阴极微波电子枪，其特征在于，所述阴极盘(121)的厚度选择为使得所述阴极盘(121)上的所述真空通道(123)的靠近所述真空腔(131)的末端的微波场基本可以忽略。

12.根据权利要求11所述的光阴极微波电子枪，其特征在于，所述阴极盘(121)的厚度为20毫米。

13.根据权利要求1所述的光阴极微波电子枪，其特征在于，所述阴极盘(121)上的所述真空通道(123)呈圆通孔状，且圆周对称地分布于所述阴极盘(121)的在所述加速腔的内壁内侧靠近所述加速腔的内壁的边缘区域。

14.根据权利要求1所述的光阴极微波电子枪，其特征在于，所述阴极盘(121)设有与半导体阴极对应的标准阴极插头相匹配的结构，以使得作为所述光阴极的半导体阴极能够插接到所述阴极盘(121)上。