GaAs光阴极制备装置的超高真空系统研制

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院高能物理研究所 作者:李小平

  研制了一套由导入室、制备室和储藏室组成的三室Load-Lock 超高真空GaAs 光阴极制备装置,用于中国科学院高能物理研究所自主研制的500 kV 光阴极直流高压电子枪系统。在本装置中,采用溅射离子泵和非蒸散型吸气剂泵的复合方式来获取超高真空,并通过磁力杆完成光阴极在各个真空室之间的传送和取放。真空测试结果显示,用钛金属材料制作的储藏室的极限真空达到3.1 × 10 -10 Pa,用不锈钢316L 材料制作的制备室和导入室的极限真空分别达到4 × 10-9 Pa 和3.6 × 10-8 Pa,三个真空室的真空指标优于设计要求。

  能量回收型直线加速器( ERL,Energy Recovery Linac) 是由注入器产生的高平均流强、低发射度、短脉冲的电子束团,进入超导直线加速器被加速到高能量后,经弧区的偏转磁铁或波荡器,产生优质的光辐射。作用后的电子束返回直线加速器处于减速相位,将其99%以上的能量转换为微波功率,并返还给加速器,用于加速后续电子束,能量回收后的低能电子束最后进入束流垃圾筒。

  由于高性能的电子束仅一次( 或两次) 通过弧区,在弧区仍然保持直线加速器优良的束流性能,如小发射度、小能散、超短束团等。利用ERL 产生的高能、高品质电子束流得到高亮度的X光,即基于能量回收型直线加速器的X 射线装置( Energy Recovery Linac based X-ray,简称XERL) 是未来先进光源的一个重要发展方向。目前,XERL 尚有一些技术难关有待攻克,尤其是小发射度、高平均流强的电子枪技术。在整个ERL 装置中,电子枪是束流的源头,是能否得到高品质电子束流的关键。高能所加速器中心从2012 年初开始研制500 kV 光阴极直流高压电子枪,其具体示意图如图1 所示。

500 kV 光阴极直流高压电子枪示意图

图1 500 kV 光阴极直流高压电子枪示意图

1、GaAs 光阴极制备装置设计

  对于可以发射高平均流强、小发射度束流的光阴极直流高压电子枪系统,光阴极材料的选择非常重要。理想情况下,要求光阴极材料在适当的驱动激光波长范围内具有高的量子效率、快的响应时间、较长的使用寿命和低的热发射度。而在实际应用中,全部满足上述要求的光阴极材料目前还不存在,一些光阴极材料只能满足其中部分要求。比如金属阴极,铜、镁等金属光阴极材料,其特点是阴极系统简单,对真空的要求低,寿命长,但是量子效率低,要获得高电量的电子束团,需要强的激光放大系统,很难产生高平均流强束流。而半导体光阴极材料如GaAs,相较于金属阴极,半导体阴极量子效率高2 ~ 3 个量级,极大地降低了对激光系统的要求,可以运行在高平均流强模式下,且热发射度小。缺点是系统相对复杂,需要有阴极制备和相应的导入系统。

  高能所500 kV 光阴极直流高压电子枪采用GaAs 作为光阴极材料,GaAs 光阴极具有很高的量子效率,同时由于阴极发射的电子初始动能小,对应的束团热发射度很低。但是,GaAs 光阴极的量子效率和寿命真空环境的影响非常大,通常需要10 -8 Pa 或者更低的真空来保证GaAs 光阴极的量子效率和寿命,而且GaAs 对真空环境非常敏感,真空变差会导致其量子效率和寿命急剧下降。另外,在电子枪高平均流强连续运行模式下,阴极需要比较频繁地更换和重新激活。这些都极大地增加了制备系统的设计难度。

  本文所设计的GaAs 光阴极制备系统的方案如图2 所示,由导入室、制备室和储藏室三个Load-Lock 真空室组成,阴极在制备系统各个真空室之间的传递通过超高真空磁力杆来完成。其中导入室配备了旋转导入加热器和原子H 源用于GaAs 光阴极的表面清洁,制备室配备了GaAs 光阴极制备激活实验所需的碱金属铯源、高纯度氧气、样品台、旋转导入加热器、RGA 和光电流收集监测等组件。

阴极制备系统示意图

图2 阴极制备系统示意图

  为了保持GaAs 光阴极在制备过程和储藏时的量子效率和寿命,对三个真空室的真空都提出了很高要求,主要技术指标如表1 所示。

表1 GaAs 光阴极制备系统各真空室技术指标

GaAs 光阴极制备系统各真空室技术指标

4、结论

  (1) 研制了GaAs 光阴极制备装置的超高真空系统,并对系统进行了测试。钛金属储藏室的极限真空达到3.1 × 10 -10 Pa,不锈钢制备室和导入室的极限真空分别为4 × 10 -9 Pa 和3.6 × 10 -8 Pa。测试过程中各真空设备及烘烤系统均运行正常,设备可靠性良好。证明该超高真空系统设计方案合理,抽气系统选择正确,材料处理工艺和抽气工艺先进,测试指标优于设计指标。

  (2) 选择SIP和NEG泵的复合方式,取长补短,为系统提供长期有效的抽速,是获得极高真空的较为理想的主泵。采用上海三井真空的离子泵和SAES 公司的NEG 组合,达到的极限真空和采用国外离子泵的同类装置相当。

  (3) 制备室和储藏室的真空泵的配置一样,材料处理工艺相同,但是极限真空相差约一个量级,这主要是储藏室材料选择了钛金属的缘故。测试结果显示不锈钢的材料表面出气率比钛金属材料的表面出气率大6 倍左右,使用钛制造超高真空腔室是较好的选择。

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