近年来，低重复频率（<1kHz）短波长自由电子激光器（FEL）得到了迅猛的发展[1-4],并作为目前最高峰值亮度的先进光源推动了生命科学、信息技术及材料等多个学科的进步[5-7],成为了当前研究物质世界的强有力工具。短波长FEL要求电子束具有极高峰值亮度，具体体现为大电荷量、低发射度和短束长。这些需求促使了电子注入器及其阴极的迅速发展和成熟，其中极具代表性的包括美国斯坦福直线加速器中心（SLAC）的X射线自由电子激光器LCLS[1]采用的常温光阴极（Cu）微波注入器[8],以及日本C波段X射线自由电子激光器SACLA[3]的热阴极直流注入器[9],这些高亮度的电子源实现了FEL从THz到X射线的饱和出光，并在光源的峰值亮度上相比于同步辐射光源提高了约10个数量级。
生命科学、信息技术、流体物理、光化学和纳米材料等多个学科的飞速发展，对FEL提出了新的更高的要求，尤其是这些学科中对于超短时间间隔（ps~ns量级）的超快（fs~ps量级）超高亮度（>1030photons·s-1·mm-2·mr2（0.1%bandwidth）-1）X射线连续照相技术的需求，使得下一代的FEL和能量回收型直线加速器（ERL）将工作在高重复频率（>MHz）高平均功率模式下，如美国SLAC已经启动的LCLS-II[10]和我国已启动预研的北方光源（BXERL）项目[11-12]等。这些光源要求其电子源同时具有高重复频率（MHz量级）、高平均流强（100mA量级）和高亮度（nC量级单束团电荷量，mm·mrad量级发射度，ps至亚ps量级束团长度和10-5左右的能散度）[13],这使得高量子效率的光阴极和高电场梯度的电子枪成为了高重复频率注入器的主要研究方向。
直流高压光阴极注入器（HV DC photo-injector）因其具有真空性能好、不需要微波源、造价相对低廉、能同时提供ps超短的连续电子束和脉冲束等优点，近年来成为了驱动未来高重复频率短波长FEL电子源的研究热点。在国家重大科学仪器设备开发专项支持下，中国工程物理研究院联合清华大学、北京大学等多家单位共同研发的相干强太赫兹源（FEL-THz）装置[14-15],是由高重复频率（54.167MHz）高亮度的GaAs直流高压注入器驱动的谐振腔型自由电子激光。该注入器目前已经初步满足了FEL-THz的基本要求，并具有驱动高重复频率短波长FEL的潜在可能性。本文主要介绍这一注入器的研究进展，内容包括直流高压电子枪、阴极工作寿命的定性物理模型、电子束加载实验和电子束初步测量。
1电子枪简介
FEL-THz所使用的直流高压电子枪（DC gun）结构示意图如1所示[16],枪体为四通型，径向直径500mm,较大的尺寸用来降低电极表面场强；高压绝缘子采用电荷泄放型陶瓷绝缘子，以提高强电场工作稳定性；阴极支撑杆和地电位之间加一电极，用于降低阴极支撑杆表面电场强度；绝缘子外表面约为0.5MPa个的SF6气体绝缘，并放置空间非均匀分布金属环分压；超高真空由三极溅射离子泵和非蒸散吸气泵（NEG）的组合实现。通过烘烤、吸气泵等一系列手段，DC-gun在未出束状态下的真空度已经能够稳定在10-9Pa量级，电子枪出口处电子束动能为200~350keV,目前常用值为200keV和250keV.
2阴极工作寿命定性物理模型
通过分析表面量子效率下降的物理过程，得到了一个定性的工作寿命物理模型[17],该物理模型可表示为
式中：τp,τt和τb分别表示由真空度（气压）、温度和离子反轰单独影响造成的阴极工作寿命；τ表示高平均功率工作状态下测量的工作寿命；η是阴极量子效率，可通过测量恒定光照下的光电流获得；t是时间；其余参数为建立模型时假设的物理量（kn正比于温度T;κ正比于离子反轰到阴极表面的通量），在较长时间（s量级以上）工作时近似为常量。
式（1）表明：τ正比于三大影响因素造成寿命的调和平均数，即接近于最主要影响因素造成的寿命。式（2）表明：在“电流-时间”对数坐标系下，当驱动激光功率恒定时，如果真空度为主要影响因素，电流沿时间成近似直线下降；当温度和离子反轰是主要影响因素时，成近似对数下降；要区分温度和离子反轰，可在量子效率下降后，适当提高驱动激光功率，使电流回到下降前状态，此时阴极表面温度随着激光功率增大而升高，而电流与下降前一致，离子反轰状态一致，如果对数曲线斜率明显增大，则温度是主要影响因素。这一模型的建立，使我们能够在进行阴极和注入器研究时迅速抓住主要矛盾，逐一攻破，优化注入器工作状态。
3 NEA-GaAs光阴极直流高压注入器束流加载实验
3.1注入器初始工作状态
注入器的初始工作状态如下：将制备好的阴极（初始量子效率约为2%）[18-19]推入到电子枪的阴极球上，电子枪电压设定为250kV,采用约1W平均功率的532nm驱动激光对阴极进行照射，阴极工作寿命约为50s,发射电流随时间变化如图2所示。激光照射时，量子效率初始约为0.93%,这是由于阴极在传递过程中遭遇低真空区引起的正常下降（传递会损失40%~50%的量子效率）。电流在对数坐标系下首先表现为一段近似对数的曲线，然后变为近似直线。由于在初始很短的时间内阴极表面温升尚不明显，因此导致量子效率迅速下降的主要因素为真空度和离子反轰。在电流大于2.5mA时，离子反轰占主要因素，此后真空度占主要因素。
当电流下降到约0.5mA时，提高驱动激光功率至1.3 W,此时电流升高后迅速下降，下降趋势类似于对数曲线，下降速度增大，由于此时电流较小，真空度较之前变化不大，因此导致量子效率下降速度增加的主要原因是驱动激光在阴极表面引起的温度升高，这一效果在激光功率上升至1.5W时变得更加明显。
最初的出束实验不具备同步测量真空计读数的条件，在此后的微小电流出束实验中，电子束电流约为50μA,我们记录了真空计读数，如图3所示。由图可知，即使在很小的出束电流下，注入器内部也发生了较大的放气，导致真空度急剧下降，可推断原因是电子束在束壁上出现了较大的损失。
3.2注入器改进措施
针对真空度迅速下降的情况，我们首先研究了束流准直的问题，通过研究发现，注入器驱动激光器在宏脉冲状态下存在不可忽视的鬼脉冲[20],会淹没阻拦测量靶的探测信号进而影响束流准直。我们通过采用二级电光开关的方法消除了该鬼脉冲，具体方法见参考文献[21].
通过数值计算和Parmela束流动力学模拟，我们证明了注入器出口处束线尺寸较小是引起真空度下降的另一重要原因，并将电子枪阳极孔扩大到直径50mm,阳极孔后束线尺寸扩大到直径63mm,具体分析见参考文献[22].通过这些措施，我们将阴极在较小激光功率（<480mW）照射下的寿命提高了两个量级（两处照射点寿命相近），最大达到大于1h,并在对数坐标下趋近于直线，但当激光功率进一步增加至1.25 W,阴极工作寿命迅速减小。由此可以判断出，在较高激光功率照射下，限制寿命的主要因素为激光在阴极表面引起的热效应，在较低激光功率照射，较小发射电流时，主要限制因素为真空度。
为降低阴极表面温度，搭建了真空铟焊平台（图4），将阴极焊接在阴极托上，并采用红外热成像仪测量了大气中近似绝热环境下铟焊前后激光在阴极表面引起的温升，通过测量发现，铟焊可使绝热环境下阴极表面温度上升时间延长7倍以上[23].我们将铟焊后的阴极推送至电子枪中进行出束实验，发现阴极对激光功率的耐受能力大幅提高，在较大功率（约2W）激光照射下，阴极寿命也提升至30min以上。
3.3改进后
NEA-GaAs光阴极注入器工作状态我们手动调节激光功率进行反馈，并在2014年上半年实现了GaAs阴极1mA/3.3h,3mA/1.4h和5mA/0.5h的高平均功率高亮度电流稳定输出[23],如图5所示，达到了目前国内的最好水平，并超越了日本KEK在2013年国际粒子加速器会议（IPAC）上报道的出束状态[24].在3mA稳定输出结束后，我们在激光功率约为3W的情况下测量了阴极寿命约为30min,证明了阴极对激光功率耐受能力大幅增加；三种状态下连续输出时，电子枪内真空计测量结果基本优于2×10-8Pa,证明了注入器真空得到了大幅优化。
4 NEA-GaAs光阴极直流高压注入器电子束参数测量
FEL-THz装置与未来高重复频率短波长FEL对电子束参数要求如表1所示。表中f,I,εn,σt和ΔE/E分别表示电子束重复频率、电流、横向归一化发射度、纵向均方根（RMS）长度和相对能散度。我们搭建了相应的测量装置对电子束参数进行了初步测量，主要包括积分电流变压器（ICT）测量平均电流和单束团电荷量、多缝法测量发射度、螺线管扫描法测量热发射度及Laser Wire方法测量纵向长度。
4.1电荷量及发射度测量
5mA稳定出束时采用ICT测量的示波器信号如图6所示，匹配阻抗为50Ω，通过积分可以得出，单束团电荷量为89pC,对应电流为4.8mA.在宏脉冲模式下，我们采用多缝法测量了铅垂方向发射度，成像条纹如图7所示，归一化发射度测量值为4.02πmm·mrad.
4.2热发射度测量
我们采用极低单束团电荷量（28fC）的螺线管扫描法测量了安装在直流高压注入器中的GaAs阴极热发射度[23],测量结果如图8所示，图中σ为电子束在测量靶上测得的横向均方根尺寸，Bz,max为螺线管纵向最大磁场。由最小二乘拟合可知，发射度测量值约为0.60πmm·mrad（归一化到1mm均方根尺寸）；该结果也表明目前我们的GaAs阴极的本征横向平均能量约为92meV.
4.3纵向长度测量
我们近期搭建了Laser Wire系统[25],如图9所示。激光被分束后，一束照射光阴极产生电子束，另一束经过延时系统后在束线下游与电子束发生汤姆逊散射，通过改变延时大小测量不同对撞位置的散射光子数，即可以得到束团的纵向分布情况。我们初步测量得到了90.6cm处250keV电子束纵向半高宽约为6mm（RMS尺寸为11.5ps）的信号（图10），具备了无阻拦测量电子束纵向长度的能力。
5结论
本文介绍了FEL-THz装置GaAs直流高压注入器的初步研究现状。通过阴极工作寿命定性物理模型的指导和一系列的优化措施，实现了注入器5mA/32min的稳定束流输出，并测量得到：电子束单束团电荷量约89pC,发射度为4.02πmm·mrad,热发射度约为0.60πmm·mrad（归一化到1mm），电子束本征横向能量约为92meV,250keV时90.6cm处纵向均方根长度约为11.5ps.这些结果表明注入器运行状态已经初步满足了FEL-THz装置基本要求，但距离驱动未来高重复频率短波长FEL的要求还有一定的差距。下一步工作重点将是定量研究阴极工作寿命，测量电子束能散度，并进一步优化电子束热发射度、发射度、纵向长度和能散等，在满足FEL-THz长时间稳定工作的基础上验证其驱动未来高重复频率短波长FEL的可能性。（图表略）
参考文献：
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