碱金属锑化物光阴极本征发射度降低机制研究

Ultra-low emittance electron beam is essential for CW/high duty factor free electron laser(FEL). With the development of photoinjectors, the intrinsic emittance has been the main limit on the beam emittance. By fabricating high quantum efficiency alkali antimonide photocathode, we will investigate the cryo effect and Schottky effect on the photocathode performance. Ultra cold electrons can be derived from the cryo-cooled alkali antimonide photocathode with Schottky effect compensation, and the intrinsic emittance can be lowered to 0.15 mm.mrad/mm from 0.5 mm.mrad/mm(the wavelength of the drive laser is 532 nm). An analytical model and a code will be developed for the first time to describe the near threshold emission from the cold photocathode with Schottky effect compensation. This work will be helpful for better understanding the emission physics of the photocathode, for the development of low emittance photoinjectors, and of great importance for the proposed CW XFEL project in China.

半导体光阴极所产生的低发射度电子束对于CW/高重频自由电子激光（FEL）等大科学装置十分重要。随着光阴极注入器的发展，光阴极的本征发射度已成为制约电子束发射度进一步降低的主要因素。本项目将制备高量子效率长寿命碱金属锑化物光阴极，分别进行低温冷却、肖特基效应对碱金属锑化物光阴极性能影响的实验与理论研究，并将首次采用低温冷却与肖特基效应补偿相结合的方法使碱金属锑化物光阴极中的电子在接近电离势阈值时发射，有望得到极冷电子束，使碱金属锑化物半导体光阴极的本征发射度从目前的0.5 mm.mrad/mm降低到<0.15 mm.mrad/mm（驱动激光波长均为532 nm），并首次建立包含低温冷却效应和肖特基效应在内的光阴极接近阈值发射的理论模型及模拟程序。本项目的研究不仅可以进一步揭示光阴极发射物理机制，促进低发射度光阴极电子枪技术的发展，也可为我国未来建设连续波/高占空比硬X射线FEL打下技术基础.

低发射度的电子束对于X射线自由电子激光(XFEL)、超快电子衍射(UED)等项目至关重要。随着光阴极注入器的发展，光阴极的本征发射度已经成为限制电子束发射度的主要因素，其决定了电子束发射度的最小值。计算结果表明，在高亮度电子枪所提供的电子束中，光阴极本征发射度在最终电子束发射度中的占比在70%~90%之间。因此，本项目提出了利用双碱光阴极的低温效应与肖特基效应相结合以降低双碱光阴极本征发射度的方法，并进行了相关的实验验证。. 首先在项目支持下，课题组研究成功了一种全新的“快速铯化法”双碱光阴极制备工艺，采用大电流、高蒸发速率的Cs激活方法，配合特定的前驱薄膜配比，制备出量子效率在7%以上，寿命在数周无任何衰减的双碱光阴极。该方法对于制备高性能双碱光阴极，减小光阴极制备时间，提高光阴极制备效率尤其有重要意义，有可能在将来的“光阴极工厂”中得到重要应用。项目研究了各种制备工艺，如顺序蒸镀法、共蒸发法、透射式光阴极等各种工艺对双碱光阴极性能的影响。对双碱光阴极的QE map, 光谱响应，暗室寿命等因素进行了测量，得到了性能相关数据。. 同时，本项目首次在国内实现了利用suitcase进行半导体光阴极的传输实验。所研制suitcase的真空度可达5E-9 Pa，双碱光阴极放置于该suitcase中在长达一个月的时间内无任何衰减。同时建立了一整套半导体光阴极由制备室到传输到电子枪的全部流程，在数次光阴极的传输实验中其量子效率无任何衰减。. 在项目支持下，研究了双碱光阴极在液氮温度与36 K下的量子效率，得到了双碱光阴极在室温、120 K、90 K时的光谱响应，同时发现其在36 K (DC-SRF注入器处阴极温度)时其量子效率为室温时的10%，当阴极温度升高到室温时QE恢复。这是目前已知双碱光阴极工作温度的最低值，极有可能得到极低本征发射度的电子束。目前由于电子枪还在调试过程中，我们仅得到了双碱光阴极在36 K时的量子效率等结果，同时测量了双碱光阴极在低温下时的肖特基效应。双碱光阴极在低温与肖特基效应共同作用下的本征发射度尚未进行测量，预计在未来半年内会进行测量。