電子源的123...之1

電子源是任何電子加速設備之源頭。在追求高品質電子束的過程中，人們發現最極致的電子束品質由陰極材料決定。至此之後，電子源進入了快速的發展。

1.熱發射，2.光發射，3.場致發射。當然把這幾個結合一下就有了：4.熱增強-光發射，5：場增強-光發射。還有一種 6. 電子放大增強式陰極， 我也不知道歸在那類。。。我自己玩過的有熱陰極，光陰極，場致陰極，放大器陰極，場增強光發射。

在加速器中考慮一種陰極好不好用，是看熱發射度，壽命，發射效率，響應時間。每個都是坑。因為還沒有什麼陰極每個性能都很好的。所以在設計階段，就要想好什麼最重要，再進行選擇。

1. 首先講熱發射，真空電子管就是用熱發射陰極的。常見的如老式顯像管電視，古董示波器之類的。現在都見不到了。玩高端音響中還能見到真空管，畢竟功率大嘛。

熱發射的原理就是束縛態的電子由於高溫改變了分布，在高能端形成了個拖尾。如果電子的能量大於材料功函數的話，加上外加電場，電子就發射出來了。熱陰極材料有很多，主流的就是LaB6類的低溫熱材料。

熱發射的原理就是束縛態的電子由於高溫改變了分布，在高能端形成了個拖尾。如果電子的能量大於材料功函數的話，加上外加電場，電子就發射出來了。熱陰極材料有很多，主流的就是LaB6類的低溫熱材料。

好處是壽命長，橫向發射度低，簡單，成熟。發射度低就是說電子的溫度低，才到1400~1800度。用我們加速器界常用的單位也就個0.12~0.15eV. 這麼好的東西當然大家都喜歡。所以一二三代光源基本都採用熱陰極做電子源。

但是熱陰極最大的問題是其產生的束團都很長。有點能散後，縱向發射度就很可觀了。在射頻槍中有一堆嚴重的問題。所以對電子束長度有很高要求的設備就不會採用。當然做熱陰極的人是不甘心的，他們也逆天般得搞出了加上柵網的短束團。像FEL這樣的對超短束團有極高要求的裝置一般是不會採用的。但是！凡事都有例外。這就是Spring8 FEL，牛逼的日本人用高頻把一部分不需要的電子偏轉掉，剩下納秒級別長度的束團，然後使勁壓縮，倒也搞到了飛秒級別。他們本來可以用光陰極的，但是作為用戶裝置，穩定長時間提供高流強的束流是最重要的，所以他們放棄的光陰極。

2. 光發射陰極

因為熱陰極的束團長度是個難點，所以激光發明之後，很快就用在產生電子上。因為激光的長度比較容易達到超快，所以用激光產生的束團基本就是短束團了，很好控制。nnnnnnnn

光陰極分成三大類：

一種是金屬光陰極，響應紫外激光，就是愛神拿諾獎參考的實驗。金屬陰極壽命長，發射度也湊活。當然比熱陰極是要差的。畢竟266nm的激光打上去，除去躍遷時的能量，電子的溫度怎麼也大於0.4eV。而且金屬陰極效率很低，一般10000個光子也就打出1個電子,做得極好的勉勉強強能到1000個光子打一個電子。所以要玩高流強的時候就傻了，不要說高功率的紫外激光不好做，就是做出來了，打在金屬上，金屬也得被打壞。LCLS不需要高流強，所以用銅就夠好了。還有金屬鎂也很好，很好的，但他們就是不用。當然下一代追求高流強的LCLS II就不會再用金屬陰極了。不過做金屬陰極的人自然不甘心效率低的惡名，所以也開發了表面鍍各種材料或摻雜實現高效率，最近幾年進步挺大。

之後就有了第二種半導體光陰極。裡面有碲化物，銻化物和III-V化合物幾種。效率比金屬高多了，基本是10個光子打出一個電子。原理就不說了，不然就直接複製我博士論文得了。很重要的是其中銻化物和III-V化合物在綠光，甚至紅外光就能產生電子。這樣激光只要一次倍頻，激光能量就高很多，而且整形也比較容易。由於激光波長長，光子能量低，那麼電子溫度就低，品質也好。世上哪有這麼好的事，好的都占，那別的陰極還活不活了。半導體陰極最大的問題就是壽命低。直接限制了在用戶裝置的應用。現在基本還處在R&D中。那探測中微子的光電倍增管就是鍍了銻化物作光電轉換材料，只是他們的要求不如加速器的各種要求高。碲化物壽命還可以，只能用紫外光, 未來LCLS II可能會用它。但是在討論10mA以上的強流裝置，沒得選，只有銻化物。電子冷卻，對撞機，高功率的自由電子激光都得用到這個陰極。III-V族晶體有另外特殊的用處，就是做極化電子束，那是另一大類的討論。這個大類的陰極是我的主業。

第三大類可以稱之為工程設計光陰極。就是人造一些材料，實現非線性的光發射。比如在金表面刻蝕後，和高功率的紅外激光耦合，形成表面等離子體，產生電子流。當然也不是非要刻蝕。一旦功率高了之後，非線性效應會越來越顯著。就出現了多光子效應。這樣的材料就不能用單一的效率去評價了，因為隨著激光功率的提高，效率就越高。所以這個材料的發展要看破壞極限在哪裡。現在看來還是不如半導體陰極的。工程設計類陰極還可以鍍多層設計好的膜產生各種用途。這裡不細講了。

這個表是我在一個邀請報告上扯淡的一片，權當給前面的話一個總結。

下面這個圖就是各種常見半導體的光譜響應。當然是要挑QE高的，波長長的那些。而且壽命得長。我上面寫的V-III族就是這個圖裡的GaAs， GaN,GaAsP， InGaAs這類的，只是他們的壽命短得可憐，我正在改進他們。

3 場發射陰極

又是一大類，現在電子顯微鏡基本用的都是場發射陰極。就是削尖的材料在高場強中電子通過隧穿發射出來的。電子的能量還沒有表面的勢壘高。單針尖發射發射度就好得不得了啊，而且壽命也是逆天的長。所以是成像類的加速器的大愛。早先用金屬鎢，現在用硅，金剛石的比較多。碳納米管近幾年也開始用了。針尖多一點流強也不小。缺點嘛，單針尖流強太小，要流強大還要高場強。場強一高就容易打壞。多針尖後散角太大，發射度又不那麼好了。然後就得搞柵網聚焦，如下圖。

還有電場也不是那麼好控制的，要產生短束團的場發射，射頻槍還得特殊的設計。弄不好就變成人見人怕，鬼見鬼愁的暗電流了。我自己在做納米針尖金剛石場發射陰極。我覺得這個方向未來潛力挺大的。

還有電場也不是那麼好控制的，要產生短束團的場發射，射頻槍還得特殊的設計。弄不好就變成人見人怕，鬼見鬼愁的暗電流了。我自己在做納米針尖金剛石場發射陰極。我覺得這個方向未來潛力挺大的。
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