GaAs光陰極制備裝置的超高真空系統研制
研制了一套由導入室、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。在本裝置中，采用濺射離子泵和非蒸散型吸氣劑泵的復合方式來(lái)獲取超高真空，并通過(guò)磁力桿完成光陰極在各個(gè)真空室之間的傳送和取放。真空測試結果顯示，用鈦金屬材料制作的儲藏室的極限真空達到3.1 × 10 -10 Pa，用不銹鋼316L 材料制作的制備室和導入室的極限真空分別達到4 × 10-9 Pa 和3.6 × 10-8 Pa，三個(gè)真空室的真空指標優(yōu)于設計要求。
能量回收型直線(xiàn)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(jìn)入超導直線(xiàn)加速器被加速到高能量后，經(jīng)弧區的偏轉磁鐵或波蕩器，產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)的光輻射。作用后的電子束返回直線(xiàn)加速器處于減速相位，將其99%以上的能量轉換為微波功率，并返還給加速器，用于加速后續電子束，能量回收后的低能電子束最后進(jìn)入束流垃圾筒。
由于高性能的電子束僅一次( 或兩次) 通過(guò)弧區，在弧區仍然保持直線(xiàn)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(xiàn)加速器的X 射線(xiàn)裝置( Energy Recovery Linac based X-ray，簡(jiǎn)稱(chēng)XERL) 是未來(lái)先進(jìn)光源的一個(gè)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(gè)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(kāi)始研制500 kV 光陰極直流高壓電子槍?zhuān)渚唧w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，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的驅動(dòng)激光波長(cháng)范圍內具有高的量子效率、快的響應時(shí)間、較長(cháng)的使用壽命和低的熱發(fā)射度。而在實(shí)際應用中，全部滿(mǎn)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(mǎn)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(diǎn)是陰極系統簡(jiǎn)單，對真空的要求低，壽命長(cháng)，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，很難產(chǎn)生高平均流強束流。而半導體光陰極材料如GaAs，相較于金屬陰極，半導體陰極量子效率高2 ～ 3 個(gè)量級，極大地降低了對激光系統的要求，可以運行在高平均流強模式下，且熱發(fā)射度小。缺點(diǎn)是系統相對復雜，需要有陰極制備和相應的導入系統。
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(shí)由于陰極發(fā)射的電子初始動(dòng)能小，對應的束團熱發(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(lái)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(huì )導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的設計難度。
本文所設計的GaAs 光陰極制備系統的方案如圖2 所示，由導入室、制備室和儲藏室三個(gè)Load-Lock 真空室組成，陰極在制備系統各個(gè)真空室之間的傳遞通過(guò)超高真空磁力桿來(lái)完成。其中導入室配備了旋轉導入加熱器和原子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(shí)驗所需的堿金屬銫源、高純度氧氣、樣品臺、旋轉導入加熱器、RGA 和光電流收集監測等組件。
圖2 陰極制備系統示意圖
為了保持GaAs 光陰極在制備過(guò)程和儲藏時(shí)的量子效率和壽命，對三個(gè)真空室的真空都提出了很高要求，主要技術(shù)指標如表1 所示。
表1 GaAs 光陰極制備系統各真空室技術(shù)指標
4、結論
(1) 研制了GaAs 光陰極制備裝置的超高真空系統，并對系統進(jìn)行了測試。鈦金屬儲藏室的極限真空達到3.1 × 10 -10 Pa，不銹鋼制備室和導入室的極限真空分別為4 × 10 -9 Pa 和3.6 × 10 -8 Pa。測試過(guò)程中各真空設備及烘烤系統均運行正常，設備可靠性良好。證明該超高真空系統設計方案合理，抽氣系統選擇正確，材料處理工藝和抽氣工藝先進(jìn)，測試指標優(yōu)于設計指標。
(2) 選擇SIP和NEG泵的復合方式，取長(cháng)補短，為系統提供長(cháng)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，達到的極限真空和采用國外離子泵的同類(lèi)裝置相當。
(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(gè)量級，這主要是儲藏室材料選擇了鈦金屬的緣故。測試結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。
