热阴极表面非均匀性及其统计效应对本征发射度的影响研究

Thermal cathode is widely used in accelerators, FELs and kinds of vacuum electronics. However, for realistic thermal cathode, emission nonuniformity and intrinsic emittance growth do exist due to surface profile, material distribution, temperature variation, crystal orientation and weak magnetic field, which will cause brightness decline, envelop size augment, device performance deterioration or even failure..In this task,we are working on an intrinsic emittance model consisting of contributions from macro and micro surface nonuniformity with fluctuation statistics considered based on general thermal-field emission model, emittance calculation and surface profile standard. Otherwise, we will experimentally test the model at temperature limited regime on thermionic emission scan system and emittance measurement system combining with Monte Carlo method and PIC simulation.

热阴极广泛应用于加速器、自由电子激光装置及各类真空电子器件。实际的阴极表面，存在表面几何结构、材料分布、温度分布、晶向分布、磁场等非均匀性因素。上述非均匀性导致发射电流密度在阴极表面呈现趋势性或者随机性的涨落，引起本征发射度增加，降低束流的亮度、增大包络尺寸，导致束流装置性能降低或失效。.本课题研究热阴极表面非均匀性对发射涨落和本征发射度的影响，着重分析非均匀性的统计效应。基于热-场电子发射模型、发射度定义和表面结构的标准描述，推导不同非均匀性及其参数分布影响阴极本征发射度的函数模型; 基于蒙特卡洛抽样和PIC粒子仿真获得温度限制模式下阴极的发射涨落、本征发射度和表面特征的关系；开展热阴极发射扫描和发射度测量实验，对比不同表面特征的阴极样品，校验解析模型和仿真方法的可靠性。

实际热阴极表面并不理想，存在各种非均匀性因素，导致初始电子束密度不均匀、本征发射度增加。因此，研究热阴极表面非均匀性对发射涨落及本征发射度的影响，反过来支持阴极研制工艺优化，具有重要的实际意义。.本研究从理论推导和数值仿真两方面着手，研究了温度非均匀性、逸出功非均匀性、粗糙度以及耦合非均匀性对热阴极本征发射度的影响。.理论方面，推导了温度及逸出功非均匀发射光滑热阴极的均方根本征发射度的一般计算形式。针对二维粗糙阴极，构造二维余弦形貌模型，推导了发射度增长系数随表面形貌特征（R,TR）和外加电场的近似变化关系；最后基于非均匀性独立耦合模型，建立了耦合发射度增长的基本理论形式。自主开发了阴极性能仿真程序YYPICMC，针对上述非均匀性进行了研究。.针对温度非均匀性对发射度的影响，分析了温度径向分布非均匀热阴极的本征发射度，结果与理论数值解一致。研究结果表明径向温度非均匀性引起均方根发射度变化显著。.针对逸出功非均匀性及其统计效应对发射度的影响，结果表明逸出功分布空间频数对均方根发射度涨落有显著影响，当空间频数趋于无限大时，发射度增长系数趋于1；对于二维逸出功随机分布模型，仿真结果表明随着空间频数增加，发射度增长系数统计方差逐渐减小。.针对粗糙度对发射度的影响，推导了热阴极表面粗糙特征影响均方根本征发射度的理论形式，并结合仿真方法分析了粗糙幅度、周期以及外加电场对束流发射度的影响。针对二维余弦表面形貌，首次推导了粗糙特征影响热阴极本征发射度的完整理论形式。结合仿真结果，提出了引入“曲面比效应”和“初始粒子损失效应”改进“发射度-粗糙度”理论模型的思路。.真实的热阴极，表面温度、逸出功、形貌等非均匀性同时存在，这些非均匀性，在一定的外加电场和空间电荷效应都会以一定的方式共同影响阴极的本征发射度。在独立性假设下，总的发射度增长系数可以视为各类非均匀性引起的增长系数之积。