【摘要】：隨著加速器領(lǐng)域的快速發(fā)展,高平均功率自由電子激光(FEL),能量回收直線加速器(ERL),以及電子冷卻(electron cooling)都對(duì)光陰極提出了極高的要求,譬如:高量子效率,低發(fā)射度以及長(zhǎng)壽命等等。砷化鎵作為優(yōu)秀的光電發(fā)射體,比傳統(tǒng)的光電陰極有著更高的量子效率,更低的發(fā)射度。有得有失,砷化鎵光陰極在壽命方面就十分的苛刻了,而決定砷化鎵陰極壽命長(zhǎng)短的關(guān)鍵因素之一就是激光照射。目前,激光損傷砷化鎵材料的相關(guān)分析也是比較多的,但是對(duì)于砷化鎵陰極的損傷分析還有所欠缺。為了探究激光對(duì)砷化鎵陰極的損傷機(jī)理,本文采用建模進(jìn)行理論分析,并采用軟件驗(yàn)證分析,最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法完成了對(duì)輻照過(guò)程中砷化鎵材料和砷化鎵陰極激光損傷作用機(jī)理的分析。首先,對(duì)砷化鎵材料各項(xiàng)物理參數(shù)的收集,明確了解其參數(shù)在溫度變化時(shí)所發(fā)生的的變化,并對(duì)各參數(shù)進(jìn)行函數(shù)擬合,通過(guò)理論推導(dǎo)計(jì)算得出砷化鎵的吸收系數(shù)、反射系數(shù)和反射率,并與砷化鎵材料和實(shí)測(cè)砷化鎵陰極的相關(guān)系數(shù)作比較�；跓醾鲗�(dǎo)方程對(duì)激光輻照砷化鎵進(jìn)行了溫度場(chǎng)建模,同時(shí)基于瞬態(tài)傳熱建立了瞬態(tài)傳熱模型。同時(shí)結(jié)合激光與物質(zhì)相互作用原理對(duì)模型進(jìn)行理論分析,推導(dǎo)計(jì)算得出砷化鎵的熱熔損傷閾值約在18.165MW/cm2,結(jié)合有限元思想通過(guò)軟件模擬分析得到的熱熔損傷閾值在19MW/cm2,比較兩結(jié)果之間的差異,做出合理的誤差分析。結(jié)合熱應(yīng)力和吸附脫附理論完善激光對(duì)砷化鎵陰極損傷機(jī)理,分析激光照射對(duì)負(fù)電子親和勢(shì)砷化鎵陰極表面的激活銫氧層的損耗和對(duì)陰極的性能和量子效率發(fā)生衰減之間的關(guān)聯(lián)。結(jié)合軟件模擬及實(shí)驗(yàn),對(duì)砷化鎵陰極托激光照射時(shí)導(dǎo)熱問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)并測(cè)試達(dá)標(biāo)。使用準(zhǔn)連續(xù)532nm激光與納秒脈沖532nm激光在平均功率相同的情況下對(duì)砷化鎵陰極造成損傷對(duì)比。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)在大氣中利用激光照射測(cè)量出砷化鎵陰極的熱損傷閾值。在上述閾值功率之下,將制備后的砷化鎵陰極放入電子槍中用激光照射,觀察并記錄分析在較高功率密度下激光對(duì)砷化鎵陰極的損耗情況,尋找到激光照射砷化鎵陰極導(dǎo)致表面銫氧層完全脫附時(shí)一個(gè)激光功率密度閾值的范圍。本文的研究成果能夠?yàn)楹罄m(xù)進(jìn)一步研究激光對(duì)砷化鎵陰極損傷的機(jī)理提供參考,并能為砷化鎵陰極照射激光功率選擇提供依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)工程物理研究院
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TN304;TN24
【圖文】：

２００１到２００２年，Ｓｉｎｇｈ等人用１０６４ｎｍ、脈寬３５ｐｓ、脈沖重頻１０Ｈｚ的激光照射砷逡逑化鎵材料，此時(shí)照射的砷化鎵晶向?yàn)椋迹保埃啊�，其結(jié)果的到其單脈沖的損傷閾值為２Ｘ逡逑１０１２Ｗ／ｃｍ，并且獲得了不同脈沖不同能量密度下材料表面的損傷形態(tài)［４３’４４］，如圖１．３所逡逑示。２００３年，Ｇｒａｇ等人用１０６４ｎｍ，脈寬２０ｎｓ的Ｎｄ：ＹＡＧ激光照射砷化鎵材料，他們逡逑所采用的砷化鎵材料也預(yù)先經(jīng)過(guò)鏡面拋光，且照射晶向?yàn)椤矗?0＞，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出其單脈逡逑沖的損傷閾值在0．９Ｊ／ｃｍ，然后又通過(guò)不同的脈沖數(shù)照射測(cè)量其損傷閾值的變化，最后逡逑將結(jié)果整理成一張關(guān)系圖［４５］，如圖１．４所示。２００４年，Ｔｒｅｌｅｎｂｅｒｇ等人用重頻１ｋＨｚ，脈逡逑寬１５０ｆｓ，波長(zhǎng)８２０ｎｍ，能量密度為０．邋８Ｊ／ｃｍ２的激光照射砷化鎵材料，得出的結(jié)論是在逡逑經(jīng)過(guò)８２０ｎｍ激光照射后的砷化鎵材料表面會(huì)出現(xiàn)微晶，這些微晶的出現(xiàn)會(huì)在一定程度上逡逑替代材料完成對(duì)激光的吸收，從而有效的提升了砷化鎵材料的損傷閾值［４６］。２０１０年，在逡逑ＩＰＡＣ會(huì)議上

驗(yàn)結(jié)果表明砷化鎵所處環(huán)境溫度越高，陰極量子效率下降得越快，且下降趨勢(shì)越明顯；逡逑同時(shí)在所處溫度明顯高于環(huán)境溫度時(shí)，在前十個(gè)小時(shí)內(nèi)陰極的量子效率會(huì)發(fā)生驟降，如逡逑圖１．５所示；再結(jié)合脫附公式，計(jì)算出在不同溫度下砷化鎵陰極表面吸附層的化學(xué)反應(yīng)逡逑級(jí)數(shù)以及換算系數(shù)的值［４７］。逡逑ＨW逡逑W歫逡逑ｍｕ逡逑圖１．３電鏡下激光致砷化鎵材料的損傷圖逡逑１邋丁逡逑Ｉ逡逑ＵＪ逡逑Ｉ逡逑0逡逑０Ｈ邐１——Ｉ邐１邐１邐＇邐１邐＊邐１逡逑０邐１０邐２０邐３０邐４０逡逑ＮＯ．邋ＯＦ邋ＰＵＬＳＥＳ逡逑圖１．４在重頻為２０Ｈｚ的脈沖激光照射下砷化鎵材料損

驗(yàn)結(jié)果表明砷化鎵所處環(huán)境溫度越高，陰極量子效率下降得越快，且下降趨勢(shì)越明顯；逡逑同時(shí)在所處溫度明顯高于環(huán)境溫度時(shí)，在前十個(gè)小時(shí)內(nèi)陰極的量子效率會(huì)發(fā)生驟降，如逡逑圖１．５所示；再結(jié)合脫附公式，計(jì)算出在不同溫度下砷化鎵陰極表面吸附層的化學(xué)反應(yīng)逡逑級(jí)數(shù)以及換算系數(shù)的值［４７］。逡逑ＨW逡逑W歫逡逑ｍｕ逡逑圖１．３電鏡下激光致砷化鎵材料的損傷圖逡逑１邋丁逡逑Ｉ逡逑ＵＪ逡逑Ｉ逡逑0逡逑０Ｈ邐１——Ｉ邐１邐１邐＇邐１邐＊邐１逡逑０邐１０邐２０邐３０邐４０逡逑ＮＯ．邋ＯＦ邋ＰＵＬＳＥＳ逡逑圖１．４在重頻為２０Ｈｚ的脈沖激光照射下砷化鎵材料損

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1 ;日制出特大型砷化鎵單晶體[J];世界有色金屬;1994年05期

2 沈仁s

本文編號(hào)：2787353