Формирование пикосекундных электронных сгустков для форинжектора ВЭПП-5с использованием GaAs фотокатода тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

о Л

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Г.И. Будкера СО РАН

На правах рукописи

АЛЕКСАНДРОВ Александр Владимирович

ФОРМИРОВАНИЕ ПИКОСЕКУНДНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ СГУСТКОВ ДЛЯ ФОРИНЖЕКТОРА ВЭПП-5 С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ваАв ФОТОКАТОДА

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НОВОСИБИРСК—1996

Работа выполнена в ГНЦ РФ «СИнститут ядерной физики им. Г.И. Вудкера СО РАН >.

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ:

Диканский Николай Сергеевич

доктор физико-математических наук, прос сор, чл.-корр. РАН. ГНЦ РФ <Инсти ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАЬ г. Новосибирск,

Новохатский Александр Васильевич

кандидат физико-математических наук, Г РФ -СИнститут ядерной физики им. Г.И. Е кера СО РАНЭ", г. Новосибирск.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Иванов

Игорь Николаевич,

кандидат физико-математических наук,

-^Объединений институт ядерны) исследований^, г. Дубна.

Кезерашвили Гурами Яковлевич,

доктор физико-математических наук, ГН1 РФ -СИнститут ядерной физики им. Г.И. Буд кера СО РАН>>, г. Новосибирск.

Ведущая организация: <СФизический институт им. П.Н.Лебедева!Э>,

РАН, г. Москва.

Защита диссертации состоится < 3 > цдМ. 1996 года в

часов на заседании диссертационного совета Д.002.24.02 при ГНЦ РФ -СИнститут ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН^>. Адрес: г. Новосибирск-90, проспект академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ СИнститут ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН>.

Автореферат разослан < У > ш^м-си? 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, академик

Б.В. Чириков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 -г- 1034с_1ст~2, что позволит исследовать редкие события с сечением а « 10~41ст2. Как следует из формулы для светимости

£ = (1)

где N - число частиц в сталкивающихся пучках, /с - частота столкновений, 5х - 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 эмигтанс 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 от 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 лушке 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 арсенпд- 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 инжекционного 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 фогокатода, 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 обработки результатов программное обеспечение.

2) Проведены эксперименты по изучению временных свойств фотоэмиссии с СаАэ 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 СаАг фотокатодом для инжекционного 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 ОаАэ фотокатода в области пикосекундных длительностей и большой плотности тока эмиссии.

2) Отработана технология формирования электронных пучков длительностью до ЗОпс ( среднеквадратичное значение) при пиковом значении плотности тока до 25А/см2 с помощью ваАв 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 применять« в других установках.

4) Предложен и экспериментально опробован метод измерения продольного импеданса электродинамической системы с помощьк

б

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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общая характеристика работы, обосновывается ее актуальность, и приводится краткий обзор содержания диссертации.

В первой главе рассмотрены основные фотоэмиссионые свойства арсенида галлия. В первом параграфе дано общее описание процесса фотоэмиссии с поверхности в состоянии отрицательного электронного сродства (ОЭС), получены выражения для квантовой эффективности фотокатода . Во втором параграфе показано, что быстродействие фотокатода с ОЭС определяется временем диффузии электронов к поверхности, сделана аналитическая оценка характерного времени диффузии и приведены результаты численного моделирования. Обсуждаются возможные механизмы уменьшения времени отклика фотокатода: уменьшение толщины кристалла, работа в режиме небольшого положительного сродства и ограничение тока эмиссии из-за заряда поверхности. Третий параграф посвящен вопросам получения поляризованных электронов с помощью ваАв фотокатода.

Вторая глава посвящена методам измерения длительности пучков заряженных частиц в пикосекунднон области.

В первом параграфе дается описание метода измерения длительности с использованием круговой развертки пучка в резонаторе. В резонаторе возбуждается бегущая по азимуту электромагнитная волна, имеющая на оси поперечную компоненту магнитного поля. Электроны, пролетающие вдоль оси отклоняются по радиусу и азимуту, при этом азимутальное отклонение линейно зависит от фазы влета в резонатор. Таким образом, азимутальное распределение электронов после пролета резонатора линейно связано с распределением по фазам влета, т.е. с продольным распределением электронов в пучке. Распределение электронов по азимуту измеряется с помощью 30-канального датчика заряда. Важным преимуществом использования круговой развертки является отсутсвие необходимости в точной синхронизации измерительной системы с пучком. Получены основные расчетные соотношения.

Во втором параграфе приводится описание метода измерения длительности пучка с помощью пассивного резонатора, основанного на анализе частотного спектра импульса тока пучка. Форма импульса тока /(/, <г), где а - параметр, характеризующий длительность, связана преобразованием Фурье с зависимостью спектральной плотности от частоты и а, поэтому измерив форму спектра можно вычислить длительность сгустка.

Для измерения спектральной плотности можно воспользоваться зависимостью энергии электромагнитного поля, возбуждаемого в резонаторе при пролете сгустка заряженных частиц, от спектра импульса тока. Если форма спектра тока пучка такова, что эффективно возбуждаются только две моды, времена затухания которых сильно отличаются, то существует простой способ (метод "двух экспонент") определить энергию запасенную в каждой моде за одно измерение, без предварительного разделения сигналов по частотам. По отношению запасенных энергий на двух гармониках можно оценить длительность сгустка. В этом параграфе и Приложении 1 получены все необходимые расчетные соотношения.

В третьей главе дано подробное описание экспериментальной установки. Описана конструкция активационной камеры, электронной пушки, резонатора развертки и датчика азимутального распределения заряда. Приведена СВЧ схема возбуждения поля с круговой поляризацией в резонаторе развертки. Описано два способа формирования короткого импульса света с помощью Ш-УЬР лазера: с внешней накачкой, переключением добротности и активной синхронизацией мод и без внешней накачки с активно-пассивной синхронизацией мод. Приводится описание автокорреляционного метода измерения длительности импульса света.

В четвертой главе дано описание экспериментов по формированию коротких интенсивных сгустков электронов с помощью СаАэ фотокатода и приводятся полученные результаты. Приведены результаты измерения времени жизни фотокатода при работе в условиях высокой напряженности электрического поля в пушке. Описана процедура настройки круговой развертки по пучку. При-

ведены результаты измерений длительности методом круговой развертки при разной плотности тока эмиссии. Описана процедура измерений с помощью пассивного резонатора. Приведены результаты измерений длительности при разной энергии импульса света и в разное время после активации катода. По результатам измерений построена зависимость плотности тока эмиссии от длительности эмиттируемого сгустка. В диапазоне длительностей от 30 пс до 80 пс наблюдается ограничение плотности тока на уровне 25А/см2, не зависящее от напряжения на пушке.

В пятой главе дано описание конструкции прототипа СВЧ -фотопушки и приведены его основные параметры.

В заключении приводятся основные результаты проделанной работы.

В Приложении 1 выводится выражение для энергии Wn, запасенной в п -ой моде резонатора после пролета одиночного нерелятивистского сгустка с произвольным распределением линейной плотности заряда.

В Приложении 2 дано описание метода измерения узкополосного импеданса электродинамической системы с помощью короткого электронного сгустка и приводятся результаты его экспериментальной проверки.

Данная работа проводилась в ГНЦ РФ <СИнститут ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН» с 1992 по 1995 годы.

Апробация работы и публикации:

Основные результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались на на следующих рабочих совещаниях и конференциях:

Workshop on Photocathodes for Polarized Electron Sources for Accelerators. (Стэнфорд, США, 1993), International Workshop on High Intensity Electron Sources (Леньяро, Италия, 1993г.) European Particle Accelerator Conference EPAC-94 (Лондон, Великобритания, 1994г.), International Workshop SOURCES'94, (Шверин, Германия, 1994г.), International Workshop BIW'94, (Ванкувер, Канада, 1994г.), 14-ое Совещание по ускорителям заряженных частиц.

fПротвино, Россия, 1994г.). и опубликованы в 9 работах:

1. A.V. Aleksandrov, R.Calabrese, G.Ciullo, N.S.Dikansky, V.Guidi, G.Lamanna, P.Lenisa, P.V.Logachov, A.V.Novokhatsky, L.Tecchio, B.Yang, "Experimental Study on the Time Resolution of Negative Electron Affinity GaAs", Proc. of the Workshop on Photocathodes for Polarized Electron Sources for Accelerators, SLAC - 432, 1993.

2. A.V. Aleksandrov, G.Ciullo, V.Guidi, V.I.Kudelainen, G.Lamanna, P.Lenisa, P.V.Logachov, B.Machiga, A.V.Novokhatsky, L.Tecchio, B.Yang."The GaAs electron source: simulations and experiments"; NIM A 340 (1994) 118-121.

3. A.V.Novokhatski, A.V.AIeksandrov, A.A.Kulakov, P.V. Logatchev, L.Tecchio."A laser-driven gun for electron-positron factories".; NIM A 340 (1994) 237-240.

4. P.V.Logatchev, A.V.AIeksandrov, M.S.Avilov, N.S.Dikansky, A.V.Novokhatski, R.Calabrese, V.Guidi, G.Lamanna, G.Ciullo, B.Yang, L.Tecchio."Measurement of Time Response of Laser-Triggered GaAs Photocathode". Procs.of EPAC'94, London, 1994. (World Scientific, Singapore, 1994).

5. A.V.Novokhatski, A.V.AIeksandrov, M.S.Avilov, P.V.Logatchev, R.Calabrese, V.Guidi, G.Lamanna, G.Ciullo, B.Yang, L.Tecchio. "Short bunches from GaAs photocathode". International Workshop SOURCES'94, Schwerin,Germany,Sept.29-Oct.4,1994.

6. A.V.AIeksandrov, M.S.Avilov, N.S.Dikansky, P.V.Logatchev, A.V.Novokhatski, R.Calabrese, V.Guidi, G.Lamanna, G.Ciullo, B.Yang, L.Tccchio."Device for Electron Bunch Measurements in the Picosecond Region", International Workshop BIW'94, Vancouver,B.C. Canada, 26 Oct.,1994.(AIP, 1995)

7. A. V. Aleksandrov, R.Calabrese, G.Ciullo, N.S.Dikansky, V.Guidi, G.Lamanna, P.Lenisa, P.V.Logachov, A.V.Novokhatsky, L.Tecchio, B.Yang. "Device for electron bunch measurement in the picosecond region". Rev. Sci. Instrum. 66 (5) May 1995.

8. A. V. Aleksandrov, M.S.Avilov, R.Calabrese, G.Ciullo, N.S.Dikansky, V.Guidi, G.Lamanna, P.Lenisa, P.V.Logachov, A.V.Novokhatsky,

L.Tecchio, B.Yang. "Experimental study of the response time of GaAs as a photoemitter". Physical Review E, v.51, N2, 1995.

9. М.С.Авилов, А.В.Александров, Н.С.Диканский, П.В.Логачев, А.В.Новохатский, R.Calabrese, V.Guidi, P.Lenisa, G.Lamanna, G.Ciullo, B.Yang, L.Tecchio."Измерение удлинения электронного сгустка, полученного с арсешщ-галлиевого фотокатода". 14-ое Совещание по ускорителям заряженных частиц. 25-27 октября 1994г., Протвино.