GaAs光陰極制備裝置的超高真空系統(tǒng)研制
研制了一套由導(dǎo)入室、制備室和儲藏室組成的三室Load-Lock 超高真空GaAs 光陰極制備裝置，用于中國科學(xué)院高能物理研究所自主研制的500 kV 光陰極直流高壓電子槍系統(tǒng)。在本裝置中，采用濺射離子泵和非蒸散型吸氣劑泵的復(fù)合方式來獲取超高真空，并通過磁力桿完成光陰極在各個真空室之間的傳送和取放。真空測試結(jié)果顯示，用鈦金屬材料制作的儲藏室的極限真空達(dá)到3.1 × 10 -10 Pa，用不銹鋼316L 材料制作的制備室和導(dǎo)入室的極限真空分別達(dá)到4 × 10-9 Pa 和3.6 × 10-8 Pa，三個真空室的真空指標(biāo)優(yōu)于設(shè)計要求。
能量回收型直線加速器( ERL，Energy Recovery Linac) 是由注入器產(chǎn)生的高平均流強、低發(fā)射度、短脈沖的電子束團，進入超導(dǎo)直線加速器被加速到高能量后，經(jīng)弧區(qū)的偏轉(zhuǎn)磁鐵或波蕩器，產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)的光輻射。作用后的電子束返回直線加速器處于減速相位，將其99%以上的能量轉(zhuǎn)換為微波功率，并返還給加速器，用于加速后續(xù)電子束，能量回收后的低能電子束最后進入束流垃圾筒。
由于高性能的電子束僅一次( 或兩次) 通過弧區(qū)，在弧區(qū)仍然保持直線加速器優(yōu)良的束流性能，如小發(fā)射度、小能散、超短束團等。利用ERL 產(chǎn)生的高能、高品質(zhì)電子束流得到高亮度的X光，即基于能量回收型直線加速器的X 射線裝置( Energy Recovery Linac based X-ray，簡稱XERL) 是未來先進光源的一個重要發(fā)展方向。目前，XERL 尚有一些技術(shù)難關(guān)有待攻克，尤其是小發(fā)射度、高平均流強的電子槍技術(shù)。在整個ERL 裝置中，電子槍是束流的源頭，是能否得到高品質(zhì)電子束流的關(guān)鍵。高能所加速器中心從2012 年初開始研制500 kV 光陰極直流高壓電子槍，其具體示意圖如圖1 所示。
圖1 500 kV 光陰極直流高壓電子槍示意圖
1、GaAs 光陰極制備裝置設(shè)計
對于可以發(fā)射高平均流強、小發(fā)射度束流的光陰極直流高壓電子槍系統(tǒng)，光陰極材料的選擇非常重要。理想情況下，要求光陰極材料在適當(dāng)?shù)尿?qū)動激光波長范圍內(nèi)具有高的量子效率、快的響應(yīng)時間、較長的使用壽命和低的熱發(fā)射度。而在實際應(yīng)用中，全部滿足上述要求的光陰極材料目前還不存在，一些光陰極材料只能滿足其中部分要求。比如金屬陰極，銅、鎂等金屬光陰極材料，其特點是陰極系統(tǒng)簡單，對真空的要求低，壽命長，但是量子效率低，要獲得高電量的電子束團，需要強的激光放大系統(tǒng)，很難產(chǎn)生高平均流強束流。而半導(dǎo)體光陰極材料如GaAs，相較于金屬陰極，半導(dǎo)體陰極量子效率高2 ～ 3 個量級，極大地降低了對激光系統(tǒng)的要求，可以運行在高平均流強模式下，且熱發(fā)射度小。缺點是系統(tǒng)相對復(fù)雜，需要有陰極制備和相應(yīng)的導(dǎo)入系統(tǒng)。
高能所500 kV 光陰極直流高壓電子槍采用GaAs 作為光陰極材料，GaAs 光陰極具有很高的量子效率，同時由于陰極發(fā)射的電子初始動能小，對應(yīng)的束團熱發(fā)射度很低。但是，GaAs 光陰極的量子效率和壽命真空環(huán)境的影響非常大，通常需要10 -8 Pa 或者更低的真空來保證GaAs 光陰極的量子效率和壽命，而且GaAs 對真空環(huán)境非常敏感，真空變差會導(dǎo)致其量子效率和壽命急劇下降。另外，在電子槍高平均流強連續(xù)運行模式下，陰極需要比較頻繁地更換和重新激活。這些都極大地增加了制備系統(tǒng)的設(shè)計難度。
本文所設(shè)計的GaAs 光陰極制備系統(tǒng)的方案如圖2 所示，由導(dǎo)入室、制備室和儲藏室三個Load-Lock 真空室組成，陰極在制備系統(tǒng)各個真空室之間的傳遞通過超高真空磁力桿來完成。其中導(dǎo)入室配備了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)入加熱器和原子H 源用于GaAs 光陰極的表面清潔，制備室配備了GaAs 光陰極制備激活實驗所需的堿金屬銫源、高純度氧氣、樣品臺、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)入加熱器、RGA 和光電流收集監(jiān)測等組件。
圖2 陰極制備系統(tǒng)示意圖
為了保持GaAs 光陰極在制備過程和儲藏時的量子效率和壽命，對三個真空室的真空都提出了很高要求，主要技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。
表1 GaAs 光陰極制備系統(tǒng)各真空室技術(shù)指標(biāo)
4、結(jié)論
(1) 研制了GaAs 光陰極制備裝置的超高真空系統(tǒng)，并對系統(tǒng)進行了測試。鈦金屬儲藏室的極限真空達(dá)到3.1 × 10 -10 Pa，不銹鋼制備室和導(dǎo)入室的極限真空分別為4 × 10 -9 Pa 和3.6 × 10 -8 Pa。測試過程中各真空設(shè)備及烘烤系統(tǒng)均運行正常，設(shè)備可靠性良好。證明該超高真空系統(tǒng)設(shè)計方案合理，抽氣系統(tǒng)選擇正確，材料處理工藝和抽氣工藝先進，測試指標(biāo)優(yōu)于設(shè)計指標(biāo)。
(2) 選擇SIP和NEG泵的復(fù)合方式，取長補短，為系統(tǒng)提供長期有效的抽速，是獲得極高真空的較為理想的主泵。采用上海三井真空的離子泵和SAES 公司的NEG 組合，達(dá)到的極限真空和采用國外離子泵的同類裝置相當(dāng)。
(3) 制備室和儲藏室的真空泵的配置一樣，材料處理工藝相同，但是極限真空相差約一個量級，這主要是儲藏室材料選擇了鈦金屬的緣故。測試結(jié)果顯示不銹鋼的材料表面出氣率比鈦金屬材料的表面出氣率大6 倍左右，使用鈦制造超高真空腔室是較好的選擇。
