電子源123之2

02-04

4. 該說熱增強-光發射陰極了，其實還是老材料---LaB6,CeB6,我在熱陰極裡面講過。很重要的一點也是為了解決熱發射陰極的長束團的限制。有時我總覺得科學家是一群及其愛鑽牛角尖的人。當別人說他們的工作不行時，有時還真的不行時，總能想著法子的變來變去。就這麼琢磨來琢磨去，別說，還真有撞出來的時候。把LaB6加溫到剛剛電子能發射又不能發射的時候，打上激光，電子就出來了。本來LaB6也有直接用作光陰極的，比如在PID（photo ionization detector）里，只是量子效率是很低，而且要很高能量的激光（紫外範圍），唯一的好處是成熟，壽命長。現在把溫度降低個200來度，只要是532nm的綠光就能產生不少發射。當然如果還用紫外，發射就更加強烈了。似乎這是一個很好的選擇，但是，沒人用。。。為什麼呢？其實就是那句話，「剛剛電子能發射但又不能發射的時候」，在科學上和應用上沒法定義。看看下面兩個圖就清楚了，熱發射是一個過程。在所謂的電子將發未發之際，電子已經發射出來了。比如CeB6，圖2中可以看到光發射可用的1600度對應圖1中的熱發射響應，其實可以發現熱發射也已經開始了。導致產生的短電子脈衝有極高的背景噪音。有做這個方向的人推薦我用過，對這種不怎麼靠譜的東西我是不會考慮的。

1. 兩種熱發射材料的熱發射溫度響應。

2. 加熱後用355nm的激光產生的熱增強光發射響應曲線

5.場增強光發射

這類陰極不是什麼新材料。就是金屬針尖，比如鎢。早些年，出了一系列的PRL，火了一些年之後就沉寂下來了。好處也是場致發射很好，場致發射為什麼好，上一篇有過敘述，這裡就不再重複。壞處是不好控制。做直流的還不錯，比如在電子顯微鏡里。

一旦想玩脈衝就傻眼了。要設計一個能控制好脈衝的射頻槍不是一件容易的事。基本思路是用兩種不同頻率和模式的場同時在一個射頻腔里激勵起來就有可能產生一個平頂脈衝，通過控制平頂的長度來調製束團長度。說得好啰嗦啊，稍微數學點語言重複一遍。就是把一個平頂的波通過傅里葉分解之後取前兩項的頻率（後面當做小量）在射頻槍中激勵起來。要知道做一個射頻槍是很貴的。所以把場發射用在射頻槍中雖然我很喜歡，但是真的很難拿到錢。。。

所以在場發射將發未發之際，打一束激光能出電子，那可是很有意思的事。我很奇怪那麼好玩的東西，而且也不複雜，為什麼在六七年前突然就沉寂下來。我也問了這個方向的人，似乎是因為一個年輕人在搞，搞了很久也沒什麼大的突破。其他的人就不想跟風了。三四年前似乎有一點點起色，問了一圈有沒有人感興趣，大家表達了對他的恭喜但又各干各的去了。去年呢，我還想把他用在超快電子束成像上，proposal都寫了，突然發現歐洲竟然有人在繼續做這件事的，而且也同樣用在了超快電子顯微鏡上了，發射度還不錯。當晚就把proposal給撕了。我不愛干跟風的事。

6. 金剛石電子放大器

這是我博士論文的課題。我先岔開去，說說這個想法是怎麼來的，想法的來源比這放大器本身有意思。我博士時直接帶我的科學家有兩個，一個是金剛石電子放大器的想法提出者；一個是真正發展者，加上我老闆是出錢的，就組成了一個團隊。提出想法的呢，是一個德國老頭。他是一個做束流動力學的大牛，和陰極真是八輩子都沒什麼關係。科學家裡有那麼一群人，他們拿到了永久職位後就開始閑了，一閑下來沒什麼事干，愛好就是讀論文。這德國老頭就是這麼一個可愛的人。聊天時跟我扯各種想法，什麼效率極高的飛機發動機，效率奇高的一段代碼，怎麼讓蜜蜂多產蜜，等等。直到現在我都覺得他是個極其聰明的人，只是特別討厭寫東西，所以荒廢了。有一天他看到一篇阿聯酋的文章，說了金剛石的電子空穴產生時的放大效應，發在名不見經傳的小報上，時間在4.1日前後。他突然來了靈感，跑去找我老闆說這不就是理想的光陰極嗎？我老闆立刻意識到了這個方向很重要，就開始申下了百萬美元開始搞。最後也搞出了兩（1+0.5+0.5）篇博士論文。

這個東西是為了解決光陰極的發射太弱的問題。之前也說了光陰極唯一的弱點就是一旦量子效率大了後，壽命就完蛋了。那麼我們通過放大光陰極產生的電子，就能克服光陰極唯一的弱點了，那豈不就是完美的陰極嗎？下面就是金剛石放大器的原理圖。

由普通的光陰極產生電子束後經過加速比如3~5keV後，打入金剛石內。產生大量的電子空穴對。在電場的作用下，電子和空穴向不同的方向跑，最終電子到達發射表面發射出來。我實現過200倍的放大。

那麼壽命呢，更加神奇。一般的高量子效率的半導體光陰極必須在e-10 torr以下的真空中運行。真空高一個量級，估計壽命就是按分鐘計了。大氣壓是多少？還記得高中物理經常說的760毫米汞柱吧。大氣壓就是760 torr。金剛石放大器哪怕在大氣中放上一個月，仍舊能發射電子。哪怕我一不小心把它丟進了酒精里，拿出來擦擦還能放電子。半導體裡頭簡直是神一般的存在。就是這麼神的東西，美國海軍立刻意識到了它的重要性，看了我們的進展後在華盛頓的海軍實驗室里複製了一個同樣的實驗室，裡面全是美國人。而我們，沒有一個美國人，還有好幾個中國人，經費自然毫無理由得被停了。。。坑爹哪。。。FBI和NAVY找我好幾次，還有一次是CIA，過來了解情況，問我軍事用途。我是怎麼都想不到有什麼軍事用途，態度極其誠懇，不知他們有沒有信我。再後來由於我畢業了也轉了方向，他們終於放過我了。。。

其實我也知道，要真的把這東西發揚光大，不是件容易的事。一個光陰極就很難了，加上二級發射設備，難度可不是翻倍而已。要真的在加速器上應用，得下血本。而我們已經沒有了經費。我還真的希望有一天在海軍實驗室能做出實用的器件，怎麼說，我也在這方向上留下了一點痕迹。