光阴极微波电子枪中激光脉冲的时间抖动测量

第14卷　第5期强激光与粒子束Vol.14,No.5 2002年9月HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS Sep.,2002　文章编号:　100124322(2002)0520735204
光阴极微波电子枪中激光脉冲的时间抖动测量Ξ
刘圣广,　李永贵,　王鸣凯
(中国科学院高能物理研究所,北京100080)
摘　要:　研究了光阴极微波电子枪输出电荷量与驱动激光相对于微波入射相位的关系。

通过对光阴极
材料在光电子发射时的肖特基效应和电子束团在电子枪内的纵向加速过程分析模拟,得到了电子枪输出电荷
量与激光入射相位的一段线性关系,设计了利用此关系测量驱动激光脉冲相对于微波相位的时间抖动的实验
方案。

结果表明,这种测量方法可以分辨1.15fs的时间抖动,误差为0.23fs。

关键词:　电子枪;　肖特基效应;　时间抖动;　测量
中图分类号:　TN206;　TN248.35 文献标识码:　A
在深紫外和X光自由电子激光装置中,电子直线加速器以光阴极微波电子枪为注入器。

光阴极微波电子枪要求驱动激光脉冲与微波相位严格同步[1],因为激光脉冲相对于微波相位的时间抖动极大地影响电子枪输出电子束的质量。

对于高增益自由电子激光,这种时间抖动的均方根值要求在1ps内,它相当于频率为21856GHz微波的1°的相位。

一般的测量方法[2]是:首先将锁模激光脉冲经光电二极管变为电信号,取它的频率为2.856GHz的傅立叶谐波信号,将其与微波源来的微波信号分别送入鉴相器进行位相比较,鉴相器输出误差信号,滤掉高频成分。

误差信号的涨落幅度对应着激光脉冲相对于微波相位的时间抖动大小。

这种测量方法,原理上是利用锁相环技术。

但由于频率极高,对测量线路的电子学和光学的工艺技术要求非常苛刻,目前世界上只有少数几家公司能提供达到这种高精度要求的电子仪器设备。

本文提出一种新的测量机制,它根据光电发射时的肖特基效应,利用光阴极微波电子枪实验系统通过探测电子枪输出电荷量与驱动激光发射相位的关系来测量时间抖动的大小。

文章从理论和数值模拟两方面对该方法进行了探讨。

1　测量原理
1.1　肖特基效应
光阴极微波电子枪电子的发射机制是光电效应:频率足够高的光照射到阴极材料上,当光子的能量大于材料的逸出功时,被某一电子吸收,电子将挣脱原子的束缚逸出材料,成为光电子。

在电场中,逸出功与材料表面的电场强度有关,这一现象就是肖特基效应[3]。

逸出功与电场强度遵循如下关系
<=<0-eE/4πε0(1)式中:E是材料表面的微波电场强度;<0是没有电场时材料的逸出功;e是电子电量;ε0是真空的介电常数。

在光电子发射过程中,材料的量子效率Q E正比于光子能量和逸出功差值的平方[4],即
Q E∝(hν-<0+eE/4πε0)2(2)式中hν是驱动激光光子的能量。

对于光阴极微波电子枪,驱动激光脉冲持续时间约十几个ps,在这段时间内,阴极表面电场是变化的,用E(t)表示。

光电流可表示为
J=A I(t)[hν-<0+eE(t)/4πε0]2(3)式中:I(t)激光脉冲在持续时间τ内的强度分布;A为比例系数,与材料和驱动激光参数有关。

一般情况下,激光与材料的选择会使(hν-<0)很小,所以可将(3)式写为
J=A I(t)eE(t)/4πε0(4)一个激光脉冲打出的光电子的总电量应该是对(4)式在τ内的时间积分,即
Ξ收稿日期:2002205202; 修订日期:2002208201
基金项目:SSRF深紫外自由电子激光实验装置L前期研究项目(U227)
作者简介:刘圣广(19682),男,博士,山东禹城人,主要从事自由电子激光理论及实验研究、光阴极微波电子枪的设计;北京2732216信箱;E2mail:liushg@。

Q=∫τ0A I(t)eE(t)d t/4πε0(5)在光阴极加速枪中,阴极表面电场可写为
E(t)=E0sin(ωt+θ0)(6)式中:E0为阴极表面的峰值场强;θ0为激光入射时对应的微波初始相位。

将(6)式代入(5)式,可得到
Q=∫τ0A I(t)eE0sin(ωt+θ0)d t/4πε0(7)进一步积分可得
Q=Q0sin(δ+θ0)(8)式中:Q0=a2+b2,tanδ=a/b,其中a=(eA E0/4πε0)∫τ0I(t)sin(ωt)d t,b=(eA E0/4πε0)∫τ0I(t)cos(ωt)d t。

因为激光脉宽τ很小,只有十几个ps,a远远小于b,所以δ角度很小。

假设驱动激光脉冲宽度是10ps,时间分布均匀。

对于频率为2.856GHz的微波,可以求出,δ≈5°。

激光脉冲产生的电荷量与入射相位呈正弦关系,如图1。

Q0是单个激光脉冲打出的光电子的最大电荷量。

为讨论方便,假设驱动激光脉冲在宽度τ内均匀,即I(t)=I0为常数。

那么
Q0=A E0I02-2cos(ωτ)/4πε0ω=A E0I0sin(ωτ/2)/2πε0ω(9)
单个激光脉冲产生的光电子的最大电荷量与阴极表面电场E0和激光强度I0
成正比,还与ωτ有关系。

Fig.1　Variation of output charge from surface of cathode vs
laser injection phase 图1　电荷量与入射相位关系Fig.2　Schematic of photo2cathode RF gun
图2　电子枪结构
1.2　光阴极微波电子枪输出电量与激光入射相位的关系
图2是我们设计的1.6腔光阴极RF电子枪的结构。

图中示出了腔的内部轮廓,光阴极材料置于阴极盘的中心,补偿线圈用于发射度补偿;表1是电子枪基本参数,其中E2,E1分别为整腔、0.6腔的峰值电场。

根据RF电子枪中束流动力学理论,光电子从阴极发出后并不是都可以通过微波电场加速从枪中输出。

入射相位θ0不合适,光电子在枪内将被反向的微波电场拉回并轰击到阴极上,形成“反轰”。

当然,实际工作的光阴极微波枪,激光的入射相位
表1　电子枪基本参数
T able1　B asic p arameter of RF gun
resonant frequency 2.856GHz
shunt impedance58.6MΩ/m effective shunt impedance22.6MΩ/m quality factor15200
transit2time factor0.62
E2/E11
是远离“反轰”相位的。

这里,我们有意使电子枪工作在能产生“反轰”的这种非正常状态上,用PARM ELA程序模拟计算得到电子枪输出的电荷量与入射激光脉冲相对于微波的入射相位的关系,利用这个关系来探测激光的时间抖动。

图3(a)是模拟计算出的电子枪输出电荷量与激光相对于微波的入射相位θ0的关系。

模拟条件是:δ角为5°,最大的束团电荷量为1nC,束团长度为10ps,光阴极表面最大场强为130MV/m。

为避免由于束团包络增大而导致电子撞到枪壁上损失掉,计算中没有计入空间电荷效应。

当然,实际实验中空间电荷效应是不可避免的,但可以通过调整补偿线圈而避免这种电荷损失。

图3(b)是图3(a)曲线下降沿的局部放大。

由图4可发现,θ0在110°～115°范围内,输出电荷量Q与θ0有很好的线性关系。

该段曲线可用下式表示637强激光与粒子束第14卷
Fig.3　Output electric charge Q vs the injection phase of laser pulse
图3　
电子枪输出电荷量与激光脉冲的入射相位的关系
Fig.4　Schematic of the measurement experiment
图4　实验测量框图
Q =Q 0-k θ0
(10)可得,电量的变化量与激光相对于微波的入射相位的抖动量间的关系为
ΔQ =k Δθ0(11)
我们可以利用这一线性范围作为测量的工作区域。

实验中通过调节微波移相器使激光在微波相位的这一范围内入射。

测量输出电量的变化,得到激光相对微波的相位抖动。

为了得到高的测量灵敏度,由上面的分析知道,式(11)中的斜率越大越好,但线性范围也必须具有一定的区域。

模拟计算发现,不同的模拟条件,斜率和工作区域略有不同。

激光脉宽越小,但斜率越大。

2　相位抖动的实验设计
电量测量利用法拉第筒。

法拉第圆筒两极面间的电压随时间有一个变化过程。

进入法拉第筒的电子束的电荷量Q 与两极间的电压有下述关系
Q =(1/R )∫τ0V (t )d t (12)
式中:R 为电阻;V (t )为两极面间的电压;τ为激光脉冲的周期。

因为充电过程是在瞬间(十几个ps )完成的,电荷量还可写为
Q =CV max (13)
式中:C 法拉第圆筒电容;V max 为两极面间的最大电压。

测量用实验装置框图如图4所示。

实验中,首先通过调节微波移相器,使激光在图3所示的线性工作区域入射。

法拉第筒收集电子枪输出的光电子,用示波器直接读取法拉第筒的电压、波形。

PC 机通过A/D 卡采集示波器信号,存储为数据文件,然后处理数据。

3　测量精度及误差分析
3.1　精度分析
7
37第5期 刘圣广等:光阴极微波电子枪中激光脉冲的时间抖动测量
法拉第圆筒测电荷量的精度很高,可以分辨几十个fC的电量变化。

以前面模拟的工作情形为例。

式(11)可具体表示为
ΔQ=-0.087Δθ
(14)式中ΔQ的单位是nC,θ0的单位是(°)。

我们采用的法拉第圆筒是自己研制的,灵敏度是100fC,由(14)式很容易推得,这种测量方法的测量精度是0.00115°(对2.856GHz系统),也就是1.15fs的时间分辨。

3.2　误差分析
由式(8),(9)可知,单个激光脉冲产生的电荷量与激光强度、激光脉宽、激光相对于微波的入射相位、阴极表面的最大电场梯度几个因素有关。

对于光阴极微波电子枪,驱动激光相对微波的脉冲宽度总是很小,所以式(9)可以写为
Q0=A E0I0τ/4πε0(15) 那么,在上述影响电荷量的诸因素中,除激光入射相位以外的其他因素所引起的电荷量的相对变化为
d Q Q =
d E0
E0
+
d I0
I0
+
dτ
τ(16)
阴极微波电子枪系统在通常情况下,d E0/E0≈0.3%,d I0/I0≈1%,dτ/τ=1%。

那么光阴极产生的电荷量的相对误差,也就是电子枪输出电荷量的相对误差在1.45%～2.3%之间,我们按2%估算。

现假设激光在线性区入射时,电子枪输出电荷量为100pC,那么,2%的误差将引起2pC的电荷量变化,由(14)式推得,引起的时间测量误差是0.23fs。

4　结　论
在光阴极微波电子枪中,光电子发射时的肖特基效应和束流在电子枪中纵向加速过程两方面因素,使电子枪输出电量与激光入射相位呈现出一线性度很好的工作区域。

以此为根据,可以测量激光相对于微波的入射相位的时间抖动。

与常规的误差信号测量法相比,不仅避开了电子学与光学器件上的困难,而且灵敏度高,误差小。

在一般的电子枪工作状态下,测量灵敏度可达1.15fs,误差0.23fs。

致　谢　感谢美国BNL国家实验室的X.J.Wang教授提供的资料和有益探讨。

参考文献:
[1]　Arthur J,et al.Design study report[R].LCLS,1998.
[2]　李正红,胡克松,刘志强,等.光阴极注入器的驱动激光器[J].强激光与粒子束,2000,6:737—740.(Li Z H,Hu K S,Liu Z Q,et al.The
driven laser for photo2injector.High Power L aser and Particle Beams,2000,6:737—740)
[3]　薛增泉,吴全德.电子发射与电子能谱[M].北京:北京大学出版社,1993.(Xue Z Q,Wu Q D.Electron emission and energy spectrum.Bei2
jing:Beijing University Press,1993)
[4]　Wang X J.Electron emission and RF break down studies using photocathode RF Gun[Z].http://qabp2k.sa.infn.it/webpdf/Wang-B2.pdf.
Measurement method of time jitter bet w een pump laser pulse and RF w ave
by the charge change in photoinjector
L IU Sheng2guang,　L I Y ong2gui,　WAN G Ming2kai
(Institute of High Energy Physics,the Chinese Academy of Sciences,P.O.Box2732216,Beijing100080,China)
Abstract:　In photo2cathode RF gun,the Schottky effect in process of photoemission and electron lognitudinal accelerating process bring forth a linear work range in which electron charge out of gun is linear proportion to laser injection phase.According to the result ,we develop a method that can be used to measure time jitter between laser pulse and RF wave.The method can attain to high precision and small error.On general photoinjector condition,the precision is almost1.15fs,the error is almost0.23fs.
K ey w ords:　RF gun;　Schottky effect;　time jitter;　measurement
837强激光与粒子束第14卷。