電子源123之3

我本來的計劃是簡單得談一談各種陰極，然後就結束掉，換個話題談其他的東西。但是取名的時候說的是電子源，而不是陰極。一旦說電子源的話，那就不僅僅是陰極這個發射電子的原件，而且包含了第一次加速的器件，叫電子槍。所以本來的兩篇變成了三篇。第三篇就是談談電子槍。

我當時出國的時候，就計劃在電子槍上耕耘。作為一個核技術專業的學生，每次簽證就註定了被背景調查的命運，少則兩個月多則四個月。因為作為學術交流，必須寫清楚出國幹什麼。如果寫著電子槍（electron gun），估計悲劇的可能性就很大。我永遠不會忘了第一次簽證時，簽證官看我的眼神和質疑。我記得那次的出國目的信里有以下辭彙「gun， nuclear，high energy , high power」。以後當然學乖了，改用了「accelerator, booster, material science, high luminosity, high quality」 終於避免了第一次的悲劇。

先說說為什麼要電子槍，電子到達陰極表面後呢，總要發射出來才能作為電子源。由於一開始電子能量很低，電子和電子之間的庫侖力體現了排斥作用。只有把電子儘快加速，才能使電子束保持在一定的大小和比較小的散開角度。一個束團的大小和散開角度的乘積是一個非常重要的衡量電子束品質的物理量，我們稱之為發射度。怎麼樣的束團品質最好呢？顯然平行束或者是匯聚到一個無窮小的點是我們追求的目標。前者散開角度為0，後者束團大小為0 。電子槍就是為了引出足夠的電子，並追求這種完美的狀態。

電子槍其實很常見，比如當年的顯像管電視就是一個熱陰極的電子槍在熒光屏幕上來回得掃。大功率音響，或者老式收音機的電子管就是一個小電子槍。中學物理課上使用過的老式示波器也是靠一個熱電子槍加上偏轉電極。突然發現玩過這些儀器是都是上了年紀的或者是學校窮沒錢換設備的。不過更好得理解裡面的物理原理，其實用老式更加直觀。現在的液晶顯示都是數字化後的結果，不再觸及物理的本質了。

老式的顯像管電視機，顯示屏放在焦平面上。現在知道當年的平面顯示是多大進步了吧。可惜也沒紅幾年就被LED和液晶代替了。

骨灰級的電子管收音機，以前爺爺家就有類似的一台。小時候還經常玩，現在估計是扔了吧。

扯完老式的東西，總得看看科研中用得電子槍是什麼樣子的。本質上就兩種，一種是直流電場的，一種是射頻電場的。怎麼變也離不開這兩種方式。兩者其實都很成熟的技術，科學家們希望不停得向理想中的完美電子源靠近。在直線加速器里，電子源決定電子束的最終品質，決定了高能端設計的花費和難度。可能在電子源上多投入一點，電子束品質好上一倍，後續的加速器就能短不少。當然，另一種情況是往電子源砸了一堆錢，發現沒什麼用，然後還得老老實實得建高能段。

直流電子槍是個很老很老的技術，隨著直流電壓越加越高，場強也越來越高。電子束的品質有了極大的改善。，傑斐遜，康奈爾，布魯克海文（就是我們組啦），日本原子能研究院，日本高能加速器機構，國內的高能所都在發展或已經運行了高梯度的直流電子槍，用光陰極產生極好品質的電子束。這都是近幾年的事，可說是在老技術上有了新的突破。甚至在一定的程度上超過了射頻槍。因為相對來說簡單，便宜，穩定，皮實。不過說實話，在最後向極致推進的過程中，一點也不便宜。那直流槍的弱點在哪裡呢？就是陰極表面的梯度不高，主要的原因是直流高壓的打火區一定比射頻的低。也就是射頻的可以加到更高的電壓，相比於直流來說。

可以是這樣的：

也可以是這樣的：

射頻槍呢，也很成熟，但是這裡單指常溫的銅腔。陰極表面梯度可以做的非常高。國內的清華就非常強。光陰極的射頻槍最早是BNL/SLAC/UCLA發展起來的，現在的LCLS就是用的射頻槍。銅槍最大的問題就是不能進行連續波模式運行，所以平均流強很弱。想想放塊金屬在微波爐里，那火花四濺的感覺，一定非常酸爽。感謝勞倫斯伯克利的同行們這幾年的努力，牛逼的他們把銅腔在高流強方面的困境也解決了。他們把加速間隙變得非常小，降低了頻率之後，就可以實現連續波模式運行，並且有不低的表面場強。所以銅腔在高亮度，高束團電荷，高流強的所有方面都成熟了。像伯克利的這把槍現在就成為了LCLS II的電子源。

在伯克利的同事們努力的同事，另外一伙人用超導的射頻電子槍也實現了連續波模式的運行。同時，超導的好處是省下了運行的經費，同時加速電壓可以做得更高，頻率也可以做得更高。這樣就有可能產生更高的流強。好多實驗室都在努力中，/HZRD/BNL/HZB/DESY/SLAC...至少我們BNL做得挺不錯的，實現了高流強和高束團，我在這裡也貢獻了不少。HZRD也做得不錯，非常有開創性。

我一直非常敬佩結合不同方法，搞出新東西的人。我北大的導師就是一例。如同我在陰極篇里，花了大量的篇幅寫了結合不同機制的陰極來解決各種陰極本身的短板。在電子槍中也有類似的做法。真的有把直流槍和射頻槍結合起來的，叫DC-SRF 槍。北大發明的。其實質是直流電子槍，並讓電子快速進入射頻段加速。很聰明的想法。解決了常溫陰極在超導槍中可能的污染問題，並且抑制了高場強在不光滑陰極表面產生的熱發射度增大的問題。現在也出了毫安量級的電子束,品質也不錯。

三小節的電子源簡單介紹完了。總的來說這是一個花大錢，做重要工作的方向。hen有意思

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