stringtranslate.com

Фотоинжектор

Фотоинжектор [1] — это тип источника интенсивных электронных пучков , работа которого основана на фотоэлектрическом эффекте . Лазерный импульс, падающий на катод фотоинжектора, выталкивает электроны из него в ускоряющее поле электронной пушки . [2] По сравнению с широко распространенной термоэлектронной пушкой фотоинжекторы производят электронные пучки более высокой яркости, что означает больше частиц, упакованных в меньший объем фазового пространства ( эмиттанс пучка ). Фотоинжекторы служат основным источником электронов для однопроходных источников синхротронного света , таких как лазеры на свободных электронах [3] и для установок сверхбыстрой электронной дифракции . [4] Первый радиочастотный фотоинжектор был разработан в 1985 году в Лос-Аламосской национальной лаборатории и использовался в качестве источника для эксперимента с лазером на свободных электронах. [5] [6] Электронные пучки высокой яркости, создаваемые фотоинжекторами, используются напрямую или косвенно для исследования молекулярной, атомной и ядерной структуры вещества в целях фундаментальных исследований, а также для характеристики материалов.

Фотоинжектор состоит из фотокатода, электронной пушки (переменного или постоянного тока), источников питания, системы приводного лазера, системы синхронизации и времени, магнитов компенсации эмиттанса. Он может включать вакуумную систему и систему изготовления или транспортировки катода. Обычно за ним следуют диагностика пучка и ускорители более высокой энергии.

Анимация, показывающая, как работает линейный ускоритель переменного тока . Для фотоинжектора источником S является катод внутри дробной ячейки, за которым следуют четыре усилительных ячейки радиочастотного поля.

Ключевым компонентом фотоинжектора является фотокатод , который расположен внутри полости электронной пушки (обычно это 0,6-фракционная ячейка для оптимального распределения ускоряющего поля). Извлеченный электронный пучок страдает от собственных полей пространственного заряда , которые ухудшают яркость пучка. По этой причине фотоэлектронные пушки часто имеют одну или несколько полноразмерных бустерных ячеек для увеличения энергии пучка и уменьшения эффекта пространственного заряда. Ускоряющее поле пушки — это ВЧ (радиочастотная) волна, обеспечиваемая клистроном или другим источником ВЧ-энергии. Для низкоэнергетических пучков, таких как те, которые используются в электронной дифракции и микроскопии, подходит электростатическое ускорение (DC).

Фотоэмиссия на катоде инициируется падающим импульсом от управляющего лазера . В зависимости от материала фотокатода длина волны лазера может варьироваться от 1700 нм ( инфракрасный ) до 100-200 нм ( ультрафиолетовый ). Эмиссия со стенки полости возможна при длине волны лазера около 250 нм для медных стенок или катодов. Полупроводниковые катоды часто чувствительны к условиям окружающей среды и могут потребовать чистой подготовительной камеры, расположенной за фотоэлектронной пушкой. Оптическая система управляющего лазера часто проектируется для управления структурой импульса и, следовательно, распределением электронов в извлеченном пучке. Например, лазерный импульс в масштабе фемтосекундной волны с эллиптическим поперечным профилем создает тонкий «блинный» электронный пучок, который превращается в равномерно заполненный эллипсоид под действием собственных полей пространственного заряда. [7] Более сложный лазерный импульс с гребнеобразным продольным профилем генерирует электронный пучок аналогичной формы. [8] [9]

Примечания

  1. ^ I. Ben-Zvi, фотоинжекторы, в AW Chao, HO Moser и Z. Zhao, редакторы, "Accelerator Physics and Technology Applications" World Scientific, Сингапур, 2004, стр. 158-175
  2. ^ "ДЕЗИ - ПИТЦ Цойтен" . www.winweb.desy.de . Проверено 25 сентября 2020 г.
  3. ^ Эмма, П.; Акре, Р.; Артур, Дж.; Бионта, Р.; Бостедт, К.; Бозек, Дж.; Брахманн, А.; Буксбаум, П.; Коффи, Р.; Деккер, Ф.-Дж.; Динг, И. (2010). «Первая генерация и работа лазера на свободных электронах с длиной волны в ангстреме». Nature Photonics . 4 (9): 641–647. Bibcode :2010NaPho...4..641E. doi :10.1038/nphoton.2010.176. ISSN  1749-4893.
  4. ^ Sciaini, German; Miller, RJ Dwayne (2011-09-01). "Фемтосекундная электронная дифракция: возвещающая эру атомно-разрешенной динамики". Reports on Progress in Physics . 74 (9): 096101. Bibcode :2011RPPh...74i6101S. doi :10.1088/0034-4885/74/9/096101. ISSN  0034-4885. S2CID  121497071.
  5. ^ Clendenin, JE "RF PHOTOINJECTORS" (PDF) . Получено 7 апреля 2014 г.
  6. ^ Рао, Тривени; Доуэлл, Дэвид Х. (2014-03-28). «Инженерное руководство по фотоинжекторам». arXiv : 1403.7539 [physics.acc-ph].
  7. ^ Люитен, О.Дж.; ван дер Гир, SB; де Лоос, MJ; Киевет, ФБ; ван дер Виль, MJ (25 августа 2004 г.). «Как реализовать однородные трехмерные эллипсоидальные электронные сгустки». Письма о физических отзывах . 93 (9): 094802. Бибкод : 2004PhRvL..93i4802L. doi : 10.1103/PhysRevLett.93.094802. ISSN  0031-9007. ПМИД  15447108.
  8. ^ Сален, Питер; Базини, Мартина; Бонетти, Стефано; Хеблинг, Янош; Красильников Михаил; Никитин, Алексей Юрьевич; Шамуилов Георгий; Тибай, Золтан; Жаунерчик, Виталий; Горяшко, Виталий (12 декабря 2019 г.). «Манипуляция материей с помощью экстремального терагерцового света: прогресс в создании ТГц технологии». Отчеты по физике . 836–837: 1–74. Бибкод : 2019PhR...836....1S. doi : 10.1016/j.physrep.2019.09.002 . hdl : 10278/3719438 . ISSN  0370-1573.
  9. ^ Ма, Чжуорань; Ван, Чжэ; Фу, Фэйчао; Ван, Руи; Сян, Дао (2016). « Генерация квазиодноциклового ТГц-импульса из последовательности электронных пучков с частотной модуляцией и конического ондулятора». High Power Laser Science and Engineering . 4. doi : 10.1017/hpl.2015.35 . ISSN  2095-4719.