金剛石放大光陰極（DAP）方案可以產(chǎn)生高流強(qiáng)、低發(fā)射度的高亮度電子束,很有希望應(yīng)用在一些先進(jìn)的加速器裝置上,比如超高功率自由電子激光、能量回收直線加速器光源以及電子冷卻強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)等。DAP方案最早由美國Brookhaven實(shí)驗(yàn)室的Ben-Zvi等人提出,并經(jīng)過了一系列的理論模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證——實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到二次電子傳輸增益超過200,發(fā)射增益最高達(dá)到178。DAP的關(guān)鍵組件是一個(gè)高純單晶CVD金剛石膜窗,膜厚約30μm,膜的兩面分別需要金屬化和氫化處理,其中氫化處理可使表面具有負(fù)電子親和勢(shì)（NEA）,從而具有較大的電子發(fā)射概率。從功能上講,金剛石膜窗可看成電子束的中間放大發(fā)射體。由常規(guī)光陰極產(chǎn)生的初級(jí)電子束,經(jīng)10kV直流高壓加速后,穿過金屬鍍層進(jìn)入金剛石膜中,在不到11μm厚的近表面區(qū)域里進(jìn)行碰撞電離,產(chǎn)生兩個(gè)量級(jí)的倍增放大的二次電子。放大的二次電子在外場(chǎng)的作用下,輸運(yùn)至NEA面,然后發(fā)射至真空,從而產(chǎn)生放大的次級(jí)電子束。本論文著重對(duì)金剛石膜窗中的二次電子特性進(jìn)行理論、模擬研究,以及進(jìn)行傳輸模式的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。論文內(nèi)容主要包括四個(gè)部分:對(duì)二次電子倍增過程的蒙卡模擬研究、輸運(yùn)過程的數(shù)值模擬研究、... 

【文章來源】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)安徽省 211工程院校 985工程院校

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【學(xué)位級(jí)別】：博士

【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第1章 引言
    1.1 光陰極射頻注入器
    1.2 注入器用電子槍介紹
        1.2.1 熱陰極直流
        1.2.2 光陰極直流
        1.2.3 熱陰極射頻
        1.2.4 光陰極射頻
        1.2.5 超導(dǎo)光陰極射頻
    1.3 高亮度電子束方案
        1.3.1 降低發(fā)射度
            1.3.1.1 減小陰極表面粗糙度
            1.3.1.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)RF腔體
            1.3.1.3 提高加速梯度
            1.3.1.4 優(yōu)化初始束團(tuán)電子分布
            1.3.1.5 發(fā)射度補(bǔ)償
        1.3.2 提高流強(qiáng)
            1.3.2.1 提高平均流強(qiáng)
            1.3.2.2 提高峰值流強(qiáng)
        1.3.3 金剛石放大光陰極方案
    1.4 論文研究背景、主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)
        1.4.1 研究背景
        1.4.2 主要內(nèi)容
        1.4.3 創(chuàng)新點(diǎn)
第2章 基礎(chǔ)知識(shí)介紹
    2.1 金剛石基礎(chǔ)
        2.1.1 金剛石晶體原胞結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)
            2.1.1.1 晶體原胞結(jié)構(gòu)
        2.1.2 金剛石分類
        2.1.3 金剛石CVD法制備
        2.1.4 CVD金剛石物理性質(zhì)
        2.1.5 CVD金剛石品級(jí)及應(yīng)用
        2.1.6 DAP用金剛石
            2.1.6.1 品質(zhì)要求
            2.1.6.2 膜厚要求
        2.1.7 金剛石薄膜性能參數(shù)及表征
    2.2 光陰極基礎(chǔ)
        2.2.1 光陰極性能參數(shù)
            2.2.1.1 量子效率
            2.2.1.2 工作壽命
            2.2.1.3 工作真空度
            2.2.1.4 響應(yīng)時(shí)間
            2.2.1.5 激光波長
            2.2.1.6 暗電流
            2.2.1.7 電子親和勢(shì)
        2.2.2 光陰極分類
            2.2.2.1 金屬和半導(dǎo)體光陰極
            2.2.2.2 反射式和透射式光陰極
        2.2.3 金剛石放大陰極
            2.2.3.1 二次電子物理過程
            2.2.3.2 傳輸實(shí)驗(yàn)與發(fā)射實(shí)驗(yàn)
            2.2.3.3 端面處理
    2.3 束流品質(zhì)參數(shù)
        2.3.1 相空間
        2.3.2 發(fā)射度
            2.3.2.1 幾何發(fā)射度
            2.3.2.2 RMS發(fā)射度
            2.3.2.3 歸一化RMS發(fā)射度
        2.3.3 亮度
            2.3.3.1 亮度
            2.3.3.2 歸一化亮度
        2.3.4 能散
        2.3.5 流強(qiáng)
            2.3.5.1 峰值流強(qiáng)
            2.3.5.2 平均流強(qiáng)
        2.3.6 陰極熱發(fā)射度計(jì)算
            2.3.6.1 金屬陰極熱發(fā)射度
            2.3.6.2 半導(dǎo)體陰極熱發(fā)射度
            2.3.6.3 金剛石二次電子放大陰極發(fā)射度
    2.4 本章小結(jié)
第3章 二次電子倍增過程蒙卡模擬
    3.1 倍增過程
    3.2 蒙卡模擬
        3.2.1 隨機(jī)數(shù)
        3.2.2 初次電子參數(shù)抽樣
        3.2.3 散射事件類型及步長抽樣
        3.2.4 電子狀態(tài)參數(shù)確定
        3.2.5 彈性散射極角抽樣
        3.2.6 非彈性散射極角
        3.2.7 非彈性散射能損
            3.2.7.1 CSDA方案
            3.2.7.2 DELA方案
            3.2.7.3 能損累積積分概率數(shù)據(jù)
            3.2.7.4 能損計(jì)算
        3.2.8 二次電子激發(fā)
            3.2.8.1 金屬中二次電子激發(fā)
            3.2.8.2 金剛石中二次電子激發(fā)
        3.2.9 MC模擬流程圖
        3.2.10 CASINO軟件介紹
    3.3 光學(xué)模型介紹
        3.3.1 FPA（Full Penn Algorithm）模型
        3.3.2 SPA模型
        3.3.3 Ashley模型
        3.3.4 f-sum規(guī)則
        3.3.5 FPA、SPA、Ashley模型計(jì)算對(duì)比
            3.3.5.1 FPA與SPA結(jié)果對(duì)比
            3.3.5.2 FPA+SPA與Ashley結(jié)果對(duì)比
    3.4 二次電子倍增過程模擬計(jì)算
        3.4.1 計(jì)算模型簡(jiǎn)介
        3.4.2 鍍層金屬造成的能損計(jì)算
            3.4.2.1 CSDA和DELA方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比
            3.4.2.2 與CASINO對(duì)比
            3.4.2.3 與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比
            3.4.2.4 能損結(jié)果分析
        3.4.3 電子射程計(jì)算
            3.4.3.1 MC射程與K-O射程
            3.4.3.2 與CASINO結(jié)果對(duì)比
        3.4.4 二次電子分布計(jì)算
            3.4.4.1 MC計(jì)算
            3.4.4.2 與CASINO結(jié)果對(duì)比
        3.4.5 二次電子產(chǎn)生函數(shù)
        3.4.6 二次電子產(chǎn)額SEY計(jì)算
    3.5 本章小結(jié)
第4章 二次電子輸運(yùn)過程
    4.1 電子散射
        4.1.1 聲子散射
            4.1.1.1 谷內(nèi)散射與谷間散射
            4.1.1.2 谷內(nèi)聲子散射
            4.1.1.3 谷間聲子散射
        4.1.2 雜質(zhì)散射
            4.1.2.1 電離雜質(zhì)散射
            4.1.2.2 中性雜質(zhì)散射
        4.1.3 晶界散射
        4.1.4 不同散射機(jī)制的相對(duì)重要性
    4.2 金剛石的相關(guān)物理參數(shù)
        4.2.1 漂移速度
            4.2.1.1 漂移速度測(cè)量原理
            4.2.1.2 漂移速度經(jīng)驗(yàn)公式
            4.2.1.3 飽和漂移速度
            4.2.1.4 金剛石中載流子漂移速度計(jì)算
        4.2.2 遷移率
        4.2.3 擴(kuò)散系數(shù)
    4.3 金剛石中載流子輸運(yùn)數(shù)值模擬
        4.3.1 載流子輸運(yùn)過程一維等效分析
        4.3.2 擴(kuò)散漂移方程
            4.3.2.1 擴(kuò)散漂移方程
            4.3.2.2 初始參數(shù)
            4.3.2.3 數(shù)值求解
        4.3.3 泊松方程
            4.3.3.1 泊松方程
            4.3.3.2 數(shù)值求解
        4.3.4 計(jì)算參數(shù)
    4.4 輸運(yùn)過程數(shù)值計(jì)算結(jié)果
        4.4.1 電子-空穴密度分布
        4.4.2 電子密度分布影響因素之討論
        4.4.3 歸一化電子總數(shù)時(shí)間分布
        4.4.4 響應(yīng)時(shí)間與持續(xù)時(shí)間
            4.4.4.1 遷移率的影響
            4.4.4.2 飽和速度的影響
            4.4.4.3 小結(jié)
    4.5 二次電子品質(zhì)參數(shù)
        4.5.1 電荷密度
        4.5.2 響應(yīng)時(shí)間與持續(xù)時(shí)間
        4.5.3 電子能量
    4.6 本章小結(jié)
第5章 二次電子發(fā)射過程
    5.1 電子發(fā)射方式
        5.1.1 常見的發(fā)射方式
        5.1.2 金剛石放大二次電子發(fā)射方式
    5.2 金剛石放大二次電子發(fā)射過程
        5.2.1 發(fā)射過程介紹
        5.2.2 電子能量分布及能帶彎曲區(qū)
            5.2.2.1 輸運(yùn)階段能谷中熱化電子能量分布
            5.2.2.2 能帶彎曲區(qū)
            5.2.2.3 穿過BBR后的電子能量分布
    5.3 二次電子發(fā)射概率
        5.3.1 勢(shì)壘模型
            5.3.1.1 階躍勢(shì)壘
            5.3.1.2 三角形勢(shì)壘
            5.3.1.3 考慮肖特基效應(yīng)和鏡像電荷作用的勢(shì)壘模型
        5.3.2 金剛石表面勢(shì)壘模型參數(shù)
            5.3.2.1 真負(fù)電子親和勢(shì)
            5.3.2.2 正電子親和勢(shì)和有效負(fù)電子親和勢(shì)
        5.3.3 發(fā)射概率計(jì)算方法
            5.3.3.1 傳輸矩陣法
            5.3.3.2 TM法用于金剛石二次電子發(fā)射概率計(jì)算
        5.3.4 發(fā)射概率影響因素
    5.4 金剛石放大二次電子發(fā)射實(shí)驗(yàn)結(jié)果概述
    5.5 本章小結(jié)
第6章 金剛石放大二次電子傳輸模式實(shí)驗(yàn)
    6.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br>    6.2 實(shí)驗(yàn)方案
    6.3 實(shí)驗(yàn)裝置
        6.3.1 真空系統(tǒng)介紹
            6.3.1.1 真空腔體
            6.3.1.2 氦質(zhì)譜檢漏
            6.3.1.3 真空泵
            6.3.1.4 真空計(jì)
            6.3.1.5 烘烤設(shè)備
        6.3.2 電子槍系統(tǒng)介紹
            6.3.2.1 EGG3101電子槍
            6.3.2.2 EGPS3101功率源
            6.3.2.3 電子槍遠(yuǎn)程控制
            6.3.2.4 電子槍調(diào)試
            6.3.2.5 電子槍操作注意事項(xiàng)
        6.3.3 高壓電源介紹
        6.3.4 束流測(cè)量系統(tǒng)介紹
            6.3.4.1 法拉第筒
            6.3.4.2 熒光屏
            6.3.4.3 皮安表
    6.4 金剛石樣品及樣品架設(shè)計(jì)
        6.4.1 樣品介紹
            6.4.1.1 樣品來源
            6.4.1.2 樣品清洗
            6.4.1.3 樣品鍍膜
            6.4.1.4 樣品固定
        6.4.2 樣品支架介紹
    6.5 實(shí)驗(yàn)操作
    6.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
        6.6.1 元素6電子級(jí)多晶金剛石傳輸模式測(cè)試
            6.6.1.1 樣品1的本底電流
            6.6.1.2 低流強(qiáng)、小束斑傳輸增益
            6.6.1.3 小束斑、不同流強(qiáng)的傳輸增益
            6.6.1.4 高流強(qiáng)、不同束斑以及大束斑傳輸增益
            6.6.1.5 空間電荷場(chǎng)屏蔽效應(yīng)
            6.6.1.6 小結(jié)
        6.6.2 太原理工多晶金剛石傳輸模式測(cè)試
            6.6.2.1 樣品2的本底電流
            6.6.2.2 低流強(qiáng)、小束斑的傳輸增益
            6.6.2.3 樣品2的品質(zhì)測(cè)試
            6.6.2.4 小結(jié)
    6.7 本章小結(jié)
第7章 總結(jié)與展望
    7.1 論文總結(jié)
    7.2 論文展望
參考文獻(xiàn)
致謝
在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的其他研究成果


【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Monte Carlo simulation of incident electrons passing through thin metal layer[J]. Tian-Long He,Hong-Liang Xu,Kai-Ting Huang,Zhi-Liang Ren,De-Rong Xu.  Nuclear Science and Techniques. 2018(07)

博士論文
[1]新一代加速器真空室結(jié)構(gòu)材料表面處理及二次電子特性研究[D]. 王潔.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2017
[2]高亮度光陰極注入器的特性研究和束流品質(zhì)提高[D]. 黃瑞萱.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2016
[3]高性能電子槍的設(shè)計(jì)與研究[D]. 李驥.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2014
[4]高亮度光陰極注入器關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 李鵬.中國工程物理研究院 2012
[5]光陰極微波電子槍調(diào)試及驅(qū)動(dòng)激光整形技術(shù)研究[D]. 何志剛.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2011



本文編號(hào)：2958576