基于X波段高梯度电子枪的场致发射电流物理及关键技术研究

Field emission plays an important role in accelerator physics. On one hand, high gradient accelerating structures are requested in compact electron-positron colliders, free electron lasers, and compact medical and industrial accelerators. It is limited by the rf breakdown phenomenon which is triggered by field emission current. On the other hand, cold cathode which generates electrons by field emission is one of the top researches these years. It can provide beam with relatively good quality, high current, long life time and low cost for accelerators as well as other studies. The project will focus on the physics and key technology of field emission in rf structures and will apply an X-band high-gradient rf gun as the test stand. The research will contain the generation and transmission of field emission current in high-gradient rf structures, design, fabrication, and test of an X-band high-gradient gun aiming to reach 300 MV/m on the cathode, field emission current imaging experiment to reveal the origin of emitters with µm resolution, experiment and theory study of field emission based on imaging, and propose and confirm possible method to suppress or enhance field emission current. This project will provide better understanding of field emission which will benefit the study of high-gradient accelerating structures and cold cathode electron sources.

场致发射电流在加速器中有着非常重要的研究意义。一方面，对于紧凑型正负电子对撞机、自由电子激光、紧凑型医用及工业用加速器等需求高梯度加速结构的装置，场致电流可诱发射频击穿，直接限制高梯度的实现。而另一方面，利用场致发射原理的冷阴极有望为加速器装置和其它学科的研究提供束团品质较好、平均电流较高、寿命较长、价格低廉的电子源，是近期国内外的研究热点。本项目拟采用X波段高梯度电子枪，针对微波结构中场致发射电流的物理过程和关键技术开展研究。本项目将进行高梯度加速结构中场致发射电流产生及传输理论分析和模拟计算；完成X波段高梯度电子枪物理设计和加工测试，达到300 MV/m阴极表面场强；在其基础上进行µm级分辨率场致发射电流成像研究，研究发射点成因；以成像实验为基础，对场致发射电流开展多方面实验及理论研究；提出并验证抑制和增强场致发射电流的方法。该项目可为高梯度加速结构的实现及冷阴极的大规模应用打下基础。

场致发射电流在加速器中有着非常重要的研究意义。一方面，对于紧凑型正负电子对撞机、自由电子激光、紧凑型医用及工业用加速器等需求高梯度加速结构的装置，场致电流可诱发射频击穿，直接限制高梯度的实现。而另一方面，利用场致发射原理的冷阴极有望为加速器装置和其它学科的研究提供束团品质较好、平均电流较高、寿命较长、价格低廉的电子源，是国内外的研究热点。.项目完成了X波段场致发射电子枪的物理设计、结构设计和加工制造，在50ns脉宽的高功率脉冲输入下，电子枪的峰值加速梯度达到200MV/m，阴极尖端表面的最大场强超过1GV/m，达到国际先进水平。该电子枪阴极可替换，因此项目开展不同工艺的铜阴极的打火研究，结合先进观测技术，对铜表面打火点分布与晶格加工起伏等形貌进行符合性研究。对比了具有不同表面强度，表面形貌的阴极的高功率表现，观察到射频击穿点集中分布在加工起伏和晶粒交界位置，启发了下一阶段的关于材料性能与射频击穿现象的研究方向。.基于该高梯度X波段场致发射电子枪搭建了阴极成像束线、开展极高电场下的场致发射物理特性研究。对阴极表面场致发射电流进行了百μm量级的成像，观察到了强发射点在高梯度环境下的自发形成与消弭过程，有利的支撑了基于缺陷模型的射频击穿理论。高梯度X波段电子枪的研制对于场致发射物理和打火机理研究具有重要意义，也推动了高亮度电子束产生的新技术发展。