СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОДУЛИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА Российский патент 2006 года по МПК H05H7/12 

Изобретение относится к физике и технике ускорителей, модуляции электронных пучков, а именно к получению электронных сгустков фемтосекундной (фс) и субфемтосекундной длительности с частотой следования электронных сгустков, соответствующей частотам инфракрасного (ИК), оптического и ультрафиолетового (УФ) диапазонов.

Изобретение может быть использовано для генерации периодической последовательности коротких импульсов электромагнитного излучения, создания лазеров на свободных электронах (ЛСЭ), в частности миниатюрных (микроЛСЭ), а также для регистрации сверхбыстрых процессов.

Известен способ получения электронных пучков (с малым эмиттансом и малым энергетическим разбросом), использующий явление автоэлектронной эмиссии [1]. В нем на катод, с одним или многими остриями, для получения высокой напряженности электрического поля в диапазоне 3·10⁷-2·10⁸ В/см подается квазистатическое или импульсно-периодическое напряжение. Плотность тока с катода хорошо следует закону Фаулера-Нордгейма и составляет в случае медного катода для данного диапазона напряженности поля 1-7·10⁸ А/см². Длительность импульса (сгустка электронов, если модуляция тока глубокая) и частота их следования зависят от способа модуляции электронного тока: при статическом напряжении ток постоянен, при импульсно-периодическом - длительность импульсов тока (при прямоугольных импульсах напряжения) и частота их следования такие же, как у напряжения. Однако описанный способ не позволяет осуществить модуляцию пучка с частотой выше 1 ГГц и длительностью сгустков менее 10^-10 с.

Модуляция тока пучка при использовании термоэмиссионного катода осуществляется подачей переменного напряжения на катод относительно управляющего электрода или анода электронной пушки. В работе [2, стр.42-45, 51] модуляция тока производится переменным электрическим полем на поверхности катода, который встроен в стенку высокочастотного (ВЧ) резонатора. Частота колебаний резонатора обычно составлят 0,1-3 ГГц, что соответствует достаточно большим размерам резонатора, позволяющим получить на катоде требуемые для ускорения высокие напряженности электрического поля 5·10⁵-10⁶ В/см/, но недостаточные для автоэлектронной эмиссии, для чего необходимы 3·10⁷-5·10⁷ В/см. Поэтому в ВЧ-пушках также применяют термокатоды. Этот способ не позволяет получить импульсы короче 10^-10 с, а частота их следования не превышает 3 ГГц.

Известен также способ получения модулированного электронного пучка с использованием фотоэлектронной эмиссии [2, 3]. На стр.45-47 и 52, 53, 57 обзора [2] описаны системы, в которых квазистатическое поле на поверхности катода внутри резонатора составляет 5·10⁵-10⁶ В/см. При этих напряженностях поля автоэмиссионный ток пренебрежимо мал и не соответствует рабочим параметрам ЛСЭ. Для резкого увеличения тока электронного пучка на катод направляют пучок лазера с энергией квантов, превышающей работу выхода материала катода. Например, в случае медного катода с работой выхода 4,3 эВ используют 4-ую гармонику неодимового лазера с длиной волны 266 нм и энергией кванта 4,66 эВ. Электроны в металле, поглотив квант, проходят выше потенциального барьера и ускоряются в прикатодном поле. При этом фотоэмиссионный ток (до 10⁴ А) на несколько порядков превышает автоэмиссионный ток при одинаковой напряженности квазистатического электрического поля. Квантовый выход фотоэлектронной эмиссии составляет обычно около 10^-4.

Ток электронного пучка может быть также увеличен по сравнению с автоэмиссионным, если освещать катод лазером с большей длиной волны, например, когда энергия квантов ниже работы выхода электрона из материала катода. В этом случае увеличение тока происходит за счет возбуждения части электронов выше энергии Ферми при поглощении квантов в материале катода, что увеличивает вероятность прохождения (туннелирования) электронов через потенциальный барьер. Однако при этом превышение тока над автоэмиссионным не столь значительно (всего в несколько раз, так как квантовый выход пренебрежимо мал), чем при энергии квантов, большей, чем работа выхода. Длительность импульсов тока при этих способах не может быть менее 1 пс, а частота повторения - более 100 МГц. Другим недостатком фотоэлектронной эмиссии является то, что при этом в материале катода поглощается значительная энергия, что ведет к неустойчивой работе и даже порче катода.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по схеме и средствам воздействия на катод является способ, опубликованный в [3]. Этот способ выбран в качестве прототипа. В нем для снижения напряжения на катоде до нескольких киловольт и увеличения тока электронного пучка используют кремниевый многоострийный катод с квазистатическим электрическим полем на катодных остриях до 3·10⁷ В/см. Модуляцию электронного тока осуществляют с помощью освещения катодных острий пучком лазера с энергией квантов, не превышающей работу выхода материала катода (4,8 эВ), а именно пучком 2-ой гармоники неодимового лазера с длиной волны 532 нм и энергией кванта 2,33 эВ. Максимальное увеличение тока при мощности неодимового лазера 100 мВт составляло 2 при автоэмиссионном токе, меньшем 0,1 мкА, и далее уменьшалось при бóльших токах. Длительность импульса с увеличенным в два раза током, т.е. сгустка электронов с большим током, равна длительности импульса 2-ой гармоники (4 мкс), а частота следования импульсов 125 кГц.

Недостатками прототипа являются невозможность получения импульсов электронного тока с длительностью менее 1 пс, невозможность достижения частоты повторения выше 100 МГц, поглощение излучения лазера в материале катода, что уменьшает срок службы катода, низкая эффективность использования лазерного излучения, а также малая глубина модуляции тока пучка (1% при токе 10 мкА и 30% при токе 0,01 мкА).

Задачей, решаемой изобретением, является получение электронного пучка с глубокой модуляцией тока на частоте электромагнитной волны с использованием явления автоэлектронной эмиссии, т.е. получение периодической последовательности электронных сгустков, с возможностью управления током, длительностью сгустков и количеством сгустков, а также повышение эффективности способа за счет многократного использования электромагнитной волны, снижения ее мощности, улучшения стабильности работы катода и увеличение срока его службы.

Для решения этой задачи используется управление автоэмиссионным током одноострийного или многоострийного катода суммой электрических полей: квазистационарного поля и переменного поля электромагнитной волны. Резкая зависимость тока от напряженности суммарного поля позволяет получить глубокую модуляцию тока электронного пучка на частоте электромагнитной волны при длительности электроных сгустков, меньшей периода колебаний волны. Реализация способа требует выполнения ряда условий на геометрию катода и параметры электромагнитной волны, которые сформулированы ниже.

Заявленное техническое решение поясняется на фиг.1-6. На фиг.1-6 и в тексте приняты следующие обозначения:

V₀ - квазистатическое напряжение на катоде пушки относительно анода;

Е₀ - напряженность квазистатического электрического поля на катоде, оно везде нормально к поверхности катода (Е₀=Е_0n);

Е˜ - амплитуда напряженности переменного электрического поля электромагнитной (ЭМ) волны (лазерного излучения);

Е˜_s - амплитуда электрического поля волны, перпендикулярного плоскости падения волны;

Е˜_р - амплитуда электрического поля волны, лежащего в плоскости падения волны;

Е˜_n - амплитуда нормальной к поверхности компоненты поля волны в вакууме;

Е_Σ(t)=Е_0n+Е˜_n·sin(ωt) - нормальная компонента суммарного электрического поля на поверхности катода, определяющая плотность автоэмиссионого тока;

Е_Σ - максимальная напряженность суммарного поля на поверхности катода;

f- частота электромагнитной волны (лазера);

Т - период колебаний ЭМ-волны, Т=1/f;

ω - круговая частота ЭМ-волны, ω=2πf;

с - скорость света в вакууме;

λ - длина волны ЭМ-излучения, λ=с/f=с·Т;

τ_р - длительность огибающей импульса ЭМ-волны;

N=τ_р/Т - число периодов волны в импульсе;

τ_е - длительность электронных сгустков;

К_з - коэффициент заполнения пучка; К_з=τ_e/Т;

w - высота потенциального барьера для материала катода (В);

ew - работа выхода материала катода (эВ);

d_min≈w/Е_Σ - минимальная ширина потенциального барьера (при максимальной напряженности суммарного поля, нормального поверхности катода);

v_F - скорость Ферми (электронов в металле, полупроводнике);

τ_t=d_min/v_F=w/(Е_Σ·v_F) - время прохождения электроном потенциального барьера металл (полупроводник) - вакуум;

ϕ - угол падения волны на поверхность (катода);

δϕ - угол скольжения волны относительно поверхности;

δϕ=π/2-ϕ;

ρ_с - радиус закругления острия катода; 2ρ_с - поперечный размер микрокатода;

n(ω) - действительная часть комплексного коэффициента преломления материала катода на частоте ω ЭМ-волны;

k(ω) - мнимая часть комплексного коэффициента преломления материала катода на чатоте ω ЭМ-волны;

ň(ω) - комплексный коэффициент преломления материала катода на частоте ω ЭМ-волны, ň (ω)=n(ω)+ik(ω);

|ň| - модуль комплексного коэффициента преломления материала катода на частоте ω;

ε(ω) - комплексная диэлектрическая проницаемость материала катода на частоте ω

ε(ω)=ε'(ω)+iε''(ω)=ň(ω)²;

Р_rad - мощность ЭМ-волны;

j - плотность электронного тока на катодном острие (А/см²);

I_е - ток катода (А).

Заявленный способ осуществляется следующим образом. На поверхность многоострийного катода, обращенную в вакуум, одновременно воздействуют квазистатическим электрическим полем и полем когерентной электромагнитной волны. Поверхность катода, обращенная в вакуум, представляет собой металлическую плоскость с расположенными на ней остриями из металла или полупроводника, причем период расположения острий вдоль одного направления кратен длине электромагнитной волны, а вершины острий расположены в одной плоскости, параллельной металлической плоскости катода.

На катод подается квазистатическое напряжение V₀, создающее на остриях высокую напряженность электричекого поля Е_0n=V₀/ρ_с, где Е_0n - поле, перпендикулярное поверхности катода, ρ_с - радиус закругления катодного острия.

Поляризация и угол падения волны выбираются из необходимости обеспечить наиболее эффективную модуляцию тока пучка в режиме автоэлектронной эмиссии. Так называемая s-поляризация, при которой вектор электрического поля перпендикулярен плоскости падения волны, т.е. параллелен поверхности раздела катод-вакуум, не может быть использована, так как не влияет на нормальную компоненту поля. Для модуляции тока пучка необходимо использовать р-поляризацию с вектором электрического поля в плоскости падения.

Угол скольжения волны выбирается согласно следующим требованиям. При нормальном падении на поверхность металла большая часть волны отражается, причем знак отраженной волны противоположен знаку падающей и суммарная амплитуда поля на вакуумной стороне порядка 2/|ň(ω)|≪1 (для обеих поляризаций). Для меди на частоте CO₂ лазера 2/|ň(ω)|≈0,03. Поэтому волну направляют под малым углом скольжения δϕ к плоскости катода в направлении периодического расположения острий.

Амплитуда отраженной Е_р волны падает с уменьшением угла скольжения, обращаясь в нуль при δϕ=1/|ň(ω)|, при этом поглощенная волна максимальна. Этот режим не пригоден для автоэмиссионного способа модуляции тока из-за возможности повреждения катода. При дальнейшем уменьшении угла скольжения поглощение уменьшается, а отражение приближается к 1 без перемены знака волны. При δϕ=0 волна проходит над поверхностью без поглощения и отражения. При δϕ≪1/|ň(ω)| мощность поглощенной волны пропорциональна δϕ² и при более точном приближении угла к нулю может быть снижена на несколько порядков по сравнению с максимальной. Например, при неточности юстировки угла порядка 10^-3-10^-4 радиана уровень поглощенной мощности от максимальной равен для р-поляризации δϕ²·|ň(ω)|²=δϕ²|ε(ω)|. Для меди мощность снижается в 2,5·10²-2,5·10⁴ раз. Угол скольжения должен выбираться из соотношения 0<δϕ≪1/|ň(ω)|, где |ň(ω)| - модуль комплексного коэффициента преломления материала катода на частоте ω.

Квазистатическое электрическое поле и поле электромагнитной волны при этом с точностью δϕ параллельны друг другу и перпендикулярны поверхности катода на вершине острия. Возникающую амплитудную модуляцию суммарного поля, перпендикулярного к поверхности катода, используют для получения в режиме автоэлектронной эмиссии глубокой модуляции тока пучка с частотой электромагнитной волны и длительностью сгустка, меньшей периода волны. Для обеспечения этого режима необходимо, чтобы время туннелирования электрона было меньше длительности полупериода колебаний волны. При пиковом значении суммарного поля, достаточном для значительного сужения потенциального барьера до величины d_min, такой, что время прохождения электроном потенциального барьера в металле (время туннелирования) τ_t=d_min/v_F, где v_F - скорость Ферми, становится много меньше полупериода колебаний волны τ_t≪Т/2, острийные катоды работают в режиме автоэлектронной эмиссии, причем плотность тока резко зависит от алгебраической суммы квазистатического и переменного электрических полей. Ток эмиссии имеет максимум при сложении полей и минимум при вычитании поля волны из квазистатического поля. Максимальная напряженность суммарного поля определяется из следующего соотношения: Е_Σ≫wω/(πv_F). Из-за сильной, экспоненциальной, зависимости тока от амплитуды поля максимальный ток в сотни раз больше минимального.

Длительность электронного сгустка τе и коэффициент заполнения пучка К_з зависят от геометрии расположения и радиуса закругления острий. Если направить плоскую волну вдоль плоской поверхности катода, протяженность которого по направлению распространения волны больше длины волны излучения, то эмиссия электронов будет происходить непрерывно во времени из перемещающихся вслед за волной участков вблизи максимумов волны. Для получения контрастной модуляции тока пучка необходимо уменьшить ρ_с острия катода до размера, меньшего длины волны λ. Для сокращения длительности сгустков τе следует уменьшать протяженность катода до размера ≈λ/20. Дальнейшее сокращение размера приведет к более медленному уменьшению длительности сгустков τ_е с одновременным снижением максимального тока. При необходимости ток может быть увеличен повышением напряжения катода и поля волны. В общем случае коэффициент заполнения пучка приблизительно равен К_э≈1/(4π)+2ρ_с/λ в области 0,1<2ρ_с/λ<0,9, однако при высоких значениях коэффициента заполнения контрастность модуляции (отношение максимального тока к минимальному) снижается. Радиус закругления острий, таким образом, должен выбираться из условия 0,1πс/ω<ρ_с<0,9πс/ω. Длительность сгустка τ_е≈1/(2ω)+2ρ_с/с.

В случае использования одноострийного катода его острие помещают в фокусе ЭМ-волны. В этом случае требуемая мощность ЭМ-волны снижается более, чем на порядок. При этом требования на угол скольжения сохраняются, причем он равен углу между осью (или плоскостью симметрии) фокуса и плоскостью, касательной к вершине острия.

Преимуществом предложенного способа является то, что модуляция электронного пучка происходит на частоте электромагнитной волны, что позволяет использовать ЭМ-волны в широком диапазоне частот, в том числе с энергией квантов, меньшей чем работа выхода электрона из материала катода. Применение волн ИК-, оптического и УФ-диапазона, позволяет повысить частоту модуляции с меньшей чем 3 ГГц, достигнутой к настоящему времени, до 3-10000 ТГц и более и уменьшить длительность сгустка электронов (в том числе низкой энергии от 50-100 кэВ) с τ_е≥1 пс до длительностей в диапазоне τ_е=30-0,01 фс и менее.

Так как энергия волны практически не расходуется на ускорение электронов, возможна реализация схем с многократным использованием волны, например, с катодом в одном из плеч оптического резонатора. Даже при однократном использовании волны эффективность (отношение тока сгустка к мощности ЭМ-волны I_е/Р_rad) может быть выше, чем при фотоэлектронной эмиссии.

Использование одноострийного катода с ρ_с<λ/2 при его расположении в фокусе волны позволяет увеличить действующую напряженность поля волны на поверхности катода в 3-4 раза и на порядок снизить мощность лазера (поле волны для острия - квазистатическое).

Преимуществом предложенного способа является также то, что он позволяет снизить поглощение энергии ЭМ-волны в материале катода в 2,5·10²-2,5·10⁴ раз, что исключает повреждение катода и позволяет увеличить в случае необходимости напряженность поля на поверхности катода в 15-150 раз с целью получения требуемых величин плотности тока и полного тока пучка в пределах многих порядков величины. Этот режим обеспечивает минимальное поглощение энергии электромагнитной волны в материале катода, что улучшает стабильность работы катода и увеличивает срок его службы.

Число электронных сгустков в последовательности равно числу периодов колебаний волны в импульсе ЭМ-излучения и его можно менять изменением параметров этого импульса.

Результаты осуществления способа даны на Фиг.1-6.

На Фиг.1 изображена временная зависимость нормальной компоненты суммарного электрического поля на поверхности катода при использовании СО₂-лазера и квазистатического напряжения на катоде.

На Фиг.2 изображена зависимость от времени тока пучка для последовательности из 3 электронных сгустков, следующих на частоте лазера, при модуляции СО₂-лазером при ρ_с=0,5 мкм и параметрах полей, как на Фиг.1. τ_е=8 фс.

На Фиг.3 изображена зависимость от времени тока пучка для последовательности из 3 электронных сгустков при модуляции CO₂-лазером с тремя периодами колебаний при ρ_с=1,5 мкм и параметрах электрического поля, приведенных на Фиг.1. τ_е=14 фс. Сравнение длительности сгустков на Фиг.2 и 3 показывает возможность управления их длительностью и током при изменении радиуса закругления острия катода.

На Фиг.4 изображена зависимость от времени тока пучка для последовательности из 2 электронных сгустков при модуляции импульсом 4-ой гармоники Nd:YAG лазера с двумя периодами колебаний и использовании одного острия. Е_Σ(t)=Е₀+Е˜sin(2πt/Т); Е₀=1,2·10⁸ В/см; Е˜=7·10⁷ В/см; V₀=2 кВ; ρ_с=25 нм; Т=0,825 фс. Длительность сгустков составляет 0,2 фс=200 ас (аттосекунд), что в 40 раз меньше чем на Фиг.2 при использовании СО₂-лазера, а частота следования в 40 раз выше чем на Фиг.2.

На Фиг.5 изображена зависимость от времени тока пучка для последовательности из 7 электронных сгустков с другим током пучка при модуляции импульсом 4-ой гармоники Nd:YAG лазера с семью периодами колебаний и при выборе других величин полей: Е_Σ(t)=Е₀+Е˜sin(2πt/Т); Е₀=8·10⁷ В/см; Е˜=4,65·10⁷ В/см; V₀=200 В; ρ_с=25 нм; Т=0,825 фс, τ_е=0,2 фс. Импульс лазера состоит из 7 периодов колебаний, регулирование тока сгустков по сравнению со случаем, изображенным на Фиг.4, производится изменением напряженности полей Е₀ и Е˜.

На Фиг.6 показана зависимость от времени тока пучка для параметров лазера и квазистатического напряжения V₀, таких же, как для Фиг.5, но с многоострийным катодом: на площадке 1 мм² расположены 1,6·10⁷ острий с ρ_с=25 нм каждое. Общий ток катода пропорционален числу острий и его пиковое значение в сгустках равно 14,4 кА. Число периодов колебаний в лазерном импульсе ≫4·10⁴. На Фиг.6 показаны несколько электронных сгустков из средней части последовательности сгустков.

На Фиг.1-6 показана возможность регулирования частоты следования электронных сгустков и их числа в последовательности путем изменения частоты и числа периодов ЭМ-волны соответственно; длительности сгустка - при изменении частоты ЭМ-волны и радиуса закругления катодных острий; тока сгустков - при изменении радиуса закругления острий и изменении напряженности полей Е₀ и Е˜, а также числа острий на катоде.

Источники информации

1. H.Ishizuka et al., Smith-Purcell radiation experiment using a field-emission array cathode, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 445 (2000) 276-280.

2. C.Travier, Review of microwave guns. Particle Accelerators 36, 33 (1991), RF guns: p.p.42-48; Worldwide review of RF gun projects: p.p.48-61.

3. H.Ishizuka, Y.Kawamura et al., Laser-assisted electron emission from gated field-emitters, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 483 (2002) 305-309.

Изобретение относится к физике и технике ускорителей, модуляции электронных пучков и может быть использовано для генерации периодической последовательности коротких импульсов электромагнитного излучения, создания лазеров на свободных электронах (ЛСЭ). На поверхность многоострийного катода воздействуют квазистатическим электрическим полем и полем когерентной электромагнитной волны. На поверхность одноострийного или многоострийного катода под углом скольжения направляют когерентную электромагнитную волну с вектором электрического поля, лежащим в плоскости падения волны. Для получения глубокой модуляции тока пучка используют возникающую амплитудную модуляцию суммарного поля, перпендикулярного к поверхности катода. Технический результат - получение периодической последовательности электронных сгустков с возможностью управления током, длительностью сгустков и количеством сгустков, повышение эффективности способа, улучшение стабильности работы катода и увеличение срока его службы. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ получения модулированного электронного пучка, при котором на поверхность многоострийного катода, обращенную в вакуум, одновременно воздействуют квазистатическим электрическим полем и полем когерентной электромагнитной волны, отличающийся тем, что на поверхность одноострийного или многоострийного катода с периодом расположения острий, кратным длине электромагнитной волны, под углом скольжения δϕ направляют когерентную электромагнитную волну с вектором электрического поля, лежащим в плоскости падения волны, и используют возникающую амплитудную модуляцию суммарного поля, перпендикулярного поверхности катода, для получения в режиме автоэлектронной эмиссии глубокой модуляции тока пучка с частотой электромагнитной волны и длительностью электронных сгустков, меньшей периода волны, причем максимальную напряженность суммарного поля на поверхности катода Е_∑, радиус закругления острий ρ_с и угол скольжения δϕ выбирают из следующих соотношений:

E_∑≫wω/πv(_F);

0,1πc/ω<ρ_с<0,9πc/ω;

0<δϕ≪1/,

где - модуль комплексного коэффициента преломления материала катода на частоте ω;

w - высота потенциального барьера;

с - скорость света в вакууме;

v_F - скорость Ферми для материала катода;

E_∑ - максимальная напряженность суммарного поля на поверхности катода.