Формирование пикосекундных электронных сгустков для форинжектора ВЭПП-5с использованием GaAs фотокатода Александров, Александр Владимирович

Введение к работе

Актуальность темы диссертации.

Важное место в развитии физики высоких энергий в настоящее время занимает сооружение элекгрон-позитронных коллайдеров, как циклических, так и линейных. Для получения новой физической информации такие установки должны обеспечивать высокую светимость порядка 10³³ -f- 10³⁴c^_1cm~², что позволит исследовать редкие события с сечением а « 10~⁴¹ст². Как следует из формулы для светимости :

= /Л-, (і)

где N - число частиц в сталкивающихся пучках, /_с - частота столкновений, S± - поперечное сечение сгустков в месте встречи, для увеличения светимости нужно увеличивать число частиц в пучках и уменьшать их размер в месте встречи. Требуемые размеры сгустков в месте встречи могут быть достигнуты, если их поперечный эмиттанс достаточно мал. Таким образом, значительно возрастают требования к системе, формирующей пучки частиц для накопителя - инжектору.

Параметры пучков на выходе, производительность и стоимость инжектора в значительной степени зависят от параметров исходного пучка в источнике электронов, поэтому весьма важны работы по созданию высокоэффективных источников электронов. К числу таких источников нового поколения относятся СВЧ фотопушки, в которых электроны эмиттируются фотокатодом, возбуждаемым импульсом света ог лазера, и ускоряются электрическим полем СВЧ резонатора, внутри которого размещается фотокатод. Большая напряженность ускоряющего электрического поля, достижимая в резонаторе, и возможность регулировать параметры лазерного импульса в широких пределах позволяют формировать сгустки с большим импульсным током (> 1кА), маленькой длительностью ( < 20пс ) и регулируемой структурой макроимпульса, пригодные для прямой инжекции в линейный ускоритель.

Параметры СВЧ фотопушки в значительной мере определяются выбором типа фотокатода из большого числа экспериментально опробованных к настоящему времени. Фотокатод на основе арсенида галлия (GaAs) выделяется среди других типов своей способностью эмиттировать продольно поляризованные электроны, при освещении циркулярно-поляризованным светом определенной длины волны. Сечение многих процессов в экспериментах на встречных пучках зависит от исходной поляризации электронов, поэтому наличие в инжекторе источника поляризованных электронов открывает новые экспериментальные возможности и является весьма привлекательным. Этот факт, а также опыт успешного использования GaAs фотокатода в пушке с постоянным напряжением, в качестве источника поляризованных электронов для кол-лайдера SLC в лаборатории SLAC, вызывают в настоящее время повышенный интерес к работам по созданию СВЧ фотопушки с GaAs фотокатодом.

Актуальность этих исследований также диктуется потребностью ускорительно-накопительного комплекса ВЭПП-5, сооружаемого в настоящее время в Новосибирском Институте ядерной физики, в компактном источнике электронов, способном обеспечить прямую инжекцию электронного пучка в линейный ускоритель 10 см диапазона. Создание для этой цели СВЧ фотопушки с GaAs фотокатодом дало бы возможность, помимо всего прочего, проводить эксперименты с поляризованным электронным пучком на всех установках комплекса.

Одним из препятствии к созданию такого источника электронов является то, что до настоящего времени не было экспериментальных данных о возможности формирования пикосекундных сгустков большой интенсивности с помощью арсенид- галлиевого фотокатода.

Цель проведения работы.

1. Экспериментальное исследование временных свойств GaAs фотокатода в пикосекундной области при больших плотностях тока эмиссии.

2. Отработка технологии формирования пикосекундных интен-

сивных электронных сгустков с помощью GaAs фотокатода.

3. Создание прототипа СВЧ - фотопушки с GaAs фотокатодом для инжекцнонного комплекса ВЭПП-5 на основе полученного опыта.

Научная новизна работы.

Экспериментально исследованы временные свойства фотоэмиссии с поверхности арсенид-галлпевого фотокатода в области малых длительностей (менее 100 пс) и больших плотностей тока эмиссии (более 25 А/см²). Обнаружена зависимость длительности эмиттируемого сгустка от плотности тока.

Получены рекордно короткие и интенсивные (на момент проведения эксперимента ) импульсы с GaAs фотокатода - ЗОпс ( среднеквадратичная ширина) при пиковом значении плотности тока 25А/см². В этом случае не наблюдалось существенного увеличения длительности эмиссии по сравнению с длительностью лазерного импульса.

Основные результаты работы, выносимые на защиту.

1) Разработана и изготовлена установка по изучению временных характеристик фотоэмиссии электронов с поверхности арсенид-галлиевого фотокатода, в частности:

разработано и изготовлено оборудование для приготовления GaAs фотокатода, отработана технология приготовления катода и работы с ним.

развито и практически реализовано два метода измерения длительности пучков пикосекундной длительности: с использованием круговой развертки пучка в резонаторе и с помощью пассивного резонатора.

отработана технология формирования и измерения пикосе-кундных интенсивных импульсов света лазера.

создано необходимое для автоматизации эксперимента и об
работки результатов программное обеспечение.

2) Проведены эксперименты по изучению временных свойств
фотоэмиссии с GaAs фотокатода, в результате которых

получены рекордно короткие и интенсивные (на момент проведения эксперимента ) лучки длительностью ЗОпс ( среднеквадратичное значение) при пиковом значении плотности тока 25А/см².

Обнаружена зависимость длительности эмиттируемого сгуст от плотности тока.

3. Разработан и изготовлен прототип СВЧ - фотопушки с GaAs фотокатодом для инжекдионного комплекса ВЭПП-5 на основе полученного опыта,

4. Предложен и экспериментально опробован метод измерения продольного импеданса электродинамической системы с помощью короткого электронного сгустка.

Научная и практическая значимость работы.

1. Получены новые экспериментальные данные по физике фотоэмиссии с поверхности GaAs фотокатода в области пикосекундных длительностей и большой плотности тока эмиссии.

2. Отработана технология формирования электронных пучкої длительностью до ЗОпс ( среднеквадратичное значение) при пиковом значении плотности тока до 25А/см² с помощью GaAs фотокатода.

3. Развито два метода измерения длительности пучков пико-секундной длительности: с использованием круговой развертки пучка в резонаторе и с помощью пассивного резонатора. Оба метода планируется использовать для измерения длительности пучка в форинжекторе ВЭПП-5, они, также, могут применяться в других установках.

4. Предложен и экспериментально опробован метод измерения продольного импеданса электродинамической системы с помощыс

короткого электронного сгустка. Метод особенно эффективен при создании элементов накопителей ионов со сверхнизкими темпера-гурами пучков и при измерении малых шунтовых сопротивлений.

Структура работы.

Основной текст диссертации состоит из введения, пяти глав, включения и двух приложений. Текст диссертации содержит 75 ;траниц, 34 рисунка и 5 таблиц. Список литературы состоит из 55 наименований.