近年來，低重復頻率（<1kHz）短波長自由電子激光器（FEL）得到了迅猛的發展[1-4],并作為目前最高峰值亮度的先進光源推動了生命科學、信息技術及材料等多個學科的進步[5-7],成為了當前研究物質世界的強有力工具。短波長FEL要求電子束具有極高峰值亮度，具體體現為大電荷量、低發射度和短束長。這些需求促使了電子注入器及其陰極的迅速發展和成熟，其中極具代表性的包括美國斯坦福直線加速器中心（SLAC）的X射線自由電子激光器LCLS[1]采用的常溫光陰極（Cu）微波注入器[8],以及日本C波段X射線自由電子激光器SACLA[3]的熱陰極直流注入器[9],這些高亮度的電子源實現了FEL從THz到X射線的飽和出光，并在光源的峰值亮度上相比于同步輻射光源提高了約10個數量級。
生命科學、信息技術、流體物理、光化學和納米材料等多個學科的飛速發展，對FEL提出了新的更高的要求，尤其是這些學科中對于超短時間間隔（ps~ns量級）的超快（fs~ps量級）超高亮度（>1030photons·s-1·mm-2·mr2（0.1%bandwidth）-1）X射線連續照相技術的需求，使得下一代的FEL和能量回收型直線加速器（ERL）將工作在高重復頻率（>MHz）高平均功率模式下，如美國SLAC已經啟動的LCLS-II[10]和我國已啟動預研的北方光源（BXERL）項目[11-12]等。這些光源要求其電子源同時具有高重復頻率（MHz量級）、高平均流強（100mA量級）和高亮度（nC量級單束團電荷量，mm·mrad量級發射度，ps至亞ps量級束團長度和10-5左右的能散度）[13],這使得高量子效率的光陰極和高電場梯度的電子槍成為了高重復頻率注入器的主要研究方向。
直流高壓光陰極注入器（HV DC photo-injector）因其具有真空性能好、不需要微波源、造價相對低廉、能同時提供ps超短的連續電子束和脈沖束等優點，近年來成為了驅動未來高重復頻率短波長FEL電子源的研究熱點。在國家重大科學儀器設備開發專項支持下，中國工程物理研究院聯合清華大學、北京大學等多家單位共同研發的相干強太赫茲源（FEL-THz）裝置[14-15],是由高重復頻率（54.167MHz）高亮度的GaAs直流高壓注入器驅動的諧振腔型自由電子激光。該注入器目前已經初步滿足了FEL-THz的基本要求，并具有驅動高重復頻率短波長FEL的潛在可能性。本文主要介紹這一注入器的研究進展，內容包括直流高壓電子槍、陰極工作壽命的定性物理模型、電子束加載實驗和電子束初步測量。
1電子槍簡介
FEL-THz所使用的直流高壓電子槍（DC gun）結構示意圖如1所示[16],槍體為四通型，徑向直徑500mm,較大的尺寸用來降低電極表面場強；高壓絕緣子采用電荷泄放型陶瓷絕緣子，以提高強電場工作穩定性；陰極支撐桿和地電位之間加一電極，用于降低陰極支撐桿表面電場強度；絕緣子外表面約為0.5MPa個的SF6氣體絕緣，并放置空間非均勻分布金屬環分壓；超高真空由三極濺射離子泵和非蒸散吸氣泵（NEG）的組合實現。通過烘烤、吸氣泵等一系列手段，DC-gun在未出束狀態下的真空度已經能夠穩定在10-9Pa量級，電子槍出口處電子束動能為200~350keV,目前常用值為200keV和250keV.
2陰極工作壽命定性物理模型
通過分析表面量子效率下降的物理過程，得到了一個定性的工作壽命物理模型[17],該物理模型可表示為
式中：τp,τt和τb分別表示由真空度（氣壓）、溫度和離子反轟單獨影響造成的陰極工作壽命；τ表示高平均功率工作狀態下測量的工作壽命；η是陰極量子效率，可通過測量恒定光照下的光電流獲得；t是時間；其余參數為建立模型時假設的物理量（kn正比于溫度T;κ正比于離子反轟到陰極表面的通量），在較長時間（s量級以上）工作時近似為常量。
式（1）表明：τ正比于三大影響因素造成壽命的調和平均數，即接近于最主要影響因素造成的壽命。式（2）表明：在“電流-時間”對數坐標系下，當驅動激光功率恒定時，如果真空度為主要影響因素，電流沿時間成近似直線下降；當溫度和離子反轟是主要影響因素時，成近似對數下降；要區分溫度和離子反轟，可在量子效率下降后，適當提高驅動激光功率，使電流回到下降前狀態，此時陰極表面溫度隨著激光功率增大而升高，而電流與下降前一致，離子反轟狀態一致，如果對數曲線斜率明顯增大，則溫度是主要影響因素。這一模型的建立，使我們能夠在進行陰極和注入器研究時迅速抓住主要矛盾，逐一攻破，優化注入器工作狀態。
3 NEA-GaAs光陰極直流高壓注入器束流加載實驗
3.1注入器初始工作狀態
注入器的初始工作狀態如下：將制備好的陰極（初始量子效率約為2%）[18-19]推入到電子槍的陰極球上，電子槍電壓設定為250kV,采用約1W平均功率的532nm驅動激光對陰極進行照射，陰極工作壽命約為50s,發射電流隨時間變化如圖2所示。激光照射時，量子效率初始約為0.93%,這是由于陰極在傳遞過程中遭遇低真空區引起的正常下降（傳遞會損失40%~50%的量子效率）。電流在對數坐標系下首先表現為一段近似對數的曲線，然后變為近似直線。由于在初始很短的時間內陰極表面溫升尚不明顯，因此導致量子效率迅速下降的主要因素為真空度和離子反轟。在電流大于2.5mA時，離子反轟占主要因素，此后真空度占主要因素。
當電流下降到約0.5mA時，提高驅動激光功率至1.3 W,此時電流升高后迅速下降，下降趨勢類似于對數曲線，下降速度增大，由于此時電流較小，真空度較之前變化不大，因此導致量子效率下降速度增加的主要原因是驅動激光在陰極表面引起的溫度升高，這一效果在激光功率上升至1.5W時變得更加明顯。
最初的出束實驗不具備同步測量真空計讀數的條件，在此后的微小電流出束實驗中，電子束電流約為50μA,我們記錄了真空計讀數，如圖3所示。由圖可知，即使在很小的出束電流下，注入器內部也發生了較大的放氣，導致真空度急劇下降，可推斷原因是電子束在束壁上出現了較大的損失。
3.2注入器改進措施
針對真空度迅速下降的情況，我們首先研究了束流準直的問題，通過研究發現，注入器驅動激光器在宏脈沖狀態下存在不可忽視的鬼脈沖[20],會淹沒阻攔測量靶的探測信號進而影響束流準直。我們通過采用二級電光開關的方法消除了該鬼脈沖，具體方法見參考文獻[21].
通過數值計算和Parmela束流動力學模擬，我們證明了注入器出口處束線尺寸較小是引起真空度下降的另一重要原因，并將電子槍陽極孔擴大到直徑50mm,陽極孔后束線尺寸擴大到直徑63mm,具體分析見參考文獻[22].通過這些措施，我們將陰極在較小激光功率（<480mW）照射下的壽命提高了兩個量級（兩處照射點壽命相近），最大達到大于1h,并在對數坐標下趨近于直線，但當激光功率進一步增加至1.25 W,陰極工作壽命迅速減小。由此可以判斷出，在較高激光功率照射下，限制壽命的主要因素為激光在陰極表面引起的熱效應，在較低激光功率照射，較小發射電流時，主要限制因素為真空度。
為降低陰極表面溫度，搭建了真空銦焊平臺（圖4），將陰極焊接在陰極托上，并采用紅外熱成像儀測量了大氣中近似絕熱環境下銦焊前后激光在陰極表面引起的溫升，通過測量發現，銦焊可使絕熱環境下陰極表面溫度上升時間延長7倍以上[23].我們將銦焊后的陰極推送至電子槍中進行出束實驗，發現陰極對激光功率的耐受能力大幅提高，在較大功率（約2W）激光照射下，陰極壽命也提升至30min以上。
3.3改進后
NEA-GaAs光陰極注入器工作狀態我們手動調節激光功率進行反饋，并在2014年上半年實現了GaAs陰極1mA/3.3h,3mA/1.4h和5mA/0.5h的高平均功率高亮度電流穩定輸出[23],如圖5所示，達到了目前國內的最好水平，并超越了日本KEK在2013年國際粒子加速器會議（IPAC）上報道的出束狀態[24].在3mA穩定輸出結束后，我們在激光功率約為3W的情況下測量了陰極壽命約為30min,證明了陰極對激光功率耐受能力大幅增加；三種狀態下連續輸出時，電子槍內真空計測量結果基本優于2×10-8Pa,證明了注入器真空得到了大幅優化。
4 NEA-GaAs光陰極直流高壓注入器電子束參數測量
FEL-THz裝置與未來高重復頻率短波長FEL對電子束參數要求如表1所示。表中f,I,εn,σt和ΔE/E分別表示電子束重復頻率、電流、橫向歸一化發射度、縱向均方根（RMS）長度和相對能散度。我們搭建了相應的測量裝置對電子束參數進行了初步測量，主要包括積分電流變壓器（ICT）測量平均電流和單束團電荷量、多縫法測量發射度、螺線管掃描法測量熱發射度及Laser Wire方法測量縱向長度。
4.1電荷量及發射度測量
5mA穩定出束時采用ICT測量的示波器信號如圖6所示，匹配阻抗為50Ω，通過積分可以得出，單束團電荷量為89pC,對應電流為4.8mA.在宏脈沖模式下，我們采用多縫法測量了鉛垂方向發射度，成像條紋如圖7所示，歸一化發射度測量值為4.02πmm·mrad.
4.2熱發射度測量
我們采用極低單束團電荷量（28fC）的螺線管掃描法測量了安裝在直流高壓注入器中的GaAs陰極熱發射度[23],測量結果如圖8所示，圖中σ為電子束在測量靶上測得的橫向均方根尺寸，Bz,max為螺線管縱向最大磁場。由最小二乘擬合可知，發射度測量值約為0.60πmm·mrad（歸一化到1mm均方根尺寸）；該結果也表明目前我們的GaAs陰極的本征橫向平均能量約為92meV.
4.3縱向長度測量
我們近期搭建了Laser Wire系統[25],如圖9所示。激光被分束后，一束照射光陰極產生電子束，另一束經過延時系統后在束線下游與電子束發生湯姆遜散射，通過改變延時大小測量不同對撞位置的散射光子數，即可以得到束團的縱向分布情況。我們初步測量得到了90.6cm處250keV電子束縱向半高寬約為6mm（RMS尺寸為11.5ps）的信號（圖10），具備了無阻攔測量電子束縱向長度的能力。
5結論
本文介紹了FEL-THz裝置GaAs直流高壓注入器的初步研究現狀。通過陰極工作壽命定性物理模型的指導和一系列的優化措施，實現了注入器5mA/32min的穩定束流輸出，并測量得到：電子束單束團電荷量約89pC,發射度為4.02πmm·mrad,熱發射度約為0.60πmm·mrad（歸一化到1mm），電子束本征橫向能量約為92meV,250keV時90.6cm處縱向均方根長度約為11.5ps.這些結果表明注入器運行狀態已經初步滿足了FEL-THz裝置基本要求，但距離驅動未來高重復頻率短波長FEL的要求還有一定的差距。下一步工作重點將是定量研究陰極工作壽命，測量電子束能散度，并進一步優化電子束熱發射度、發射度、縱向長度和能散等，在滿足FEL-THz長時間穩定工作的基礎上驗證其驅動未來高重復頻率短波長FEL的可能性。（圖表略）
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