加速器使用的电子源有哪些？各有什么优缺点？ 第1页

@gyroscope, 谢邀。你这是专门给我出的题目吗？题目好大，我博士论文就是写这个的。这里只能简单讲讲了。

加速器的电子枪中的阴极可以分成

1.热发射，2.光发射，3.场致发射。当然把这几个结合一下就有了：4.热增强-光发射，5：场增强-光发射。还有一种 6. 电子放大增强式阴极， 我也不知道归在那类。。。我自己玩过的有热阴极，光阴极，场致阴极，放大器阴极，场增强光发射。

在加速器中考虑一种阴极好不好用，是看热发射度，寿命，发射效率，响应时间。每个都是坑。因为还没有什么阴极每个性能都很好的。所以在设计阶段，就要想好什么最重要，再进行选择。

1. 首先讲热发射，真空电子管就是用热发射阴极的。常见的如老式显像管电视，古董示波器之类的。现在都见不到了。玩高端音响中还能见到真空管，毕竟功率大嘛。

热发射的原理就是束缚态的电子由于高温改变了分布，在高能端形成了个拖尾。如果电子的能量大于材料功函数的话，加上外加电场，电子就发射出来了。热阴极材料有很多，主流的就是LaB6类的低温热材料。

好处是寿命长，横向发射度低，简单，成熟。发射度低就是说电子的温度低，才到1400~1800度。用我们加速器界常用的单位也就个0.12~0.15eV. 这么好的东西当然大家都喜欢。所以一二三代光源基本都采用热阴极做电子源。

但是热阴极最大的问题是其产生的束团都很长。有点能散后，纵向发射度就很可观了。在射频枪中有一堆严重的问题。所以对电子束长度有很高要求的设备就不会采用。当然做热阴极的人是不甘心的，他们也逆天般得搞出了加上栅网的短束团。像FEL这样的对超短束团有极高要求的装置一般是不会采用的。但是！凡事都有例外。这就是Spring8 FEL，牛逼的日本人用高频把一部分不需要的电子偏转掉，剩下纳秒级别长度的束团，然后使劲压缩，倒也搞到了飞秒级别。他们本来可以用光阴极的，但是作为用户装置，稳定长时间提供高流强的束流是最重要的，所以他们放弃的光阴极。

2. 光发射阴极

因为热阴极的束团长度是个难点，所以激光发明之后，很快就用在产生电子上。因为激光的长度比较容易达到超快，所以用激光产生的束团基本就是短束团了，很好控制。

光阴极分成三大类：

一种是金属光阴极，响应紫外激光，就是爱神拿诺奖参考的实验。金属阴极寿命长，发射度也凑活。当然比热阴极是要差的。毕竟266nm的激光打上去，除去跃迁时的能量，电子的温度怎么也大于0.4eV。而且金属阴极效率很低，一般10000个光子也就打出1个电子,做得极好的勉勉强强能到1000个光子打一个电子。所以要玩高流强的时候就傻了，不要说高功率的紫外激光不好做，就是做出来了，打在金属上，金属也得被打坏。LCLS不需要高流强，所以用铜就够好了。还有金属镁也很好，很好的，但他们就是不用。当然下一代追求高流强的LCLS II就不会再用金属阴极了。不过做金属阴极的人自然不甘心效率低的恶名，所以也开发了表面镀各种材料或掺杂实现高效率，最近几年进步挺大。

之后就有了第二种半导体光阴极。里面有碲化物，锑化物和III-V化合物几种。效率比金属高多了，基本是10个光子打出一个电子。原理就不说了，不然就直接复制我博士论文得了。很重要的是其中锑化物和III-V化合物在绿光，甚至红外光就能产生电子。这样激光只要一次倍频，激光能量就高很多，而且整形也比较容易。由于激光波长长，光子能量低，那么电子温度就低，品质也好。世上哪有这么好的事，好的都占，那别的阴极还活不活了。半导体阴极最大的问题就是寿命低。直接限制了在用户装置的应用。现在基本还处在R&D中。那探测中微子的光电倍增管就是镀了锑化物作光电转换材料，只是他们的要求不如加速器的各种要求高。碲化物寿命还可以，只能用紫外光, 未来LCLS II可能会用它。但是在讨论10mA以上的强流装置，没得选，只有锑化物。电子冷却，对撞机，高功率的自由电子激光都得用到这个阴极。III-V族晶体有另外特殊的用处，就是做极化电子束，那是另一大类的讨论。这个大类的阴极是我的主业。

第三大类可以称之为工程设计光阴极。就是人造一些材料，实现非线性的光发射。比如在金表面刻蚀后，和高功率的红外激光耦合，形成表面等离子体，产生电子流。当然也不是非要刻蚀。一旦功率高了之后，非线性效应会越来越显著。就出现了多光子效应。这样的材料就不能用单一的效率去评价了，因为随着激光功率的提高，效率就越高。所以这个材料的发展要看破坏极限在哪里。现在看来还是不如半导体阴极的。工程设计类阴极还可以镀多层设计好的膜产生各种用途。这里不细讲了。

这个表是我在一个邀请报告上扯淡的一片，权当给前面的话一个总结。

下面这个图就是各种常见半导体的光谱响应。当然是要挑QE高的，波长长的那些。而且寿命得长。我上面写的V-III族就是这个图里的GaAs， GaN,GaAsP， InGaAs这类的，只是他们的寿命短得可怜，我正在改进他们。
3 场发射阴极

又是一大类，现在电子显微镜基本用的都是场发射阴极。就是削尖的材料在高场强中电子通过隧穿发射出来的。电子的能量还没有表面的势垒高。单针尖发射发射度就好得不得了啊，而且寿命也是逆天的长。所以是成像类的加速器的大爱。早先用金属钨，现在用硅，金刚石的比较多。碳纳米管近几年也开始用了。针尖多一点流强也不小。缺点嘛，单针尖流强太小，要流强大还要高场强。场强一高就容易打坏。多针尖后散角太大，发射度又不那么好了。然后就得搞栅网聚焦，如下图。

还有电场也不是那么好控制的，要产生短束团的场发射，射频枪还得特殊的设计。弄不好就变成人见人怕，鬼见鬼愁的暗电流了。我自己在做纳米针尖金刚石场发射阴极。我觉得这个方向未来潜力挺大的。

写了那么多才写的一半。我自己贡献最大的放大器类阴极还没有写，人气高的话再慢慢补充吧。这东西一不小心会写得太难，就变成炸同行。写的简单了就没法严谨，反正原则是不讲原理，只讲结论，通俗易懂为先。

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