本论文主要研究应用于射频超导电子枪中的高量子效率光阴极。文章涉及两个方面,能提供极化电子束的砷化镓光阴极和能提供高平均流强的金刚石放大器。　　未来的大型对撞机如电子相对论重离子对撞机、国际电子直线对撞机对高亮度和高流强的极化电子源提出了很高的要求。现在的超晶格砷化镓光阴极的最大极化率已经达到了93％。通过铯(氧,氟)激活,使砷化镓晶体的表面形成负亲和势,增加量子效率。至今所有的极化电子源都是基于直流枪。光阴极的寿命主要受到直流枪中的离子反轰影响,另外,由于直流枪的光阴极表面电场梯度低导致电子束的发射度升高。射频枪的阴极表面高峰值场强可以抑制发射度的增长,但是常温射频枪的运行真空并不能满足砷化镓光阴极的要求。射频超导电子枪结合了直流枪的超高真空和射频枪的高峰值场强的优点,可以提供长寿命低横向和纵向发射度的极化电子束。　　要实现砷化镓光阴极在射频超导电子枪中的应用,首先需要制备高量子效率,长寿命的砷化镓光阴极。我们研制了超高真空的光阴极制备室和光阴极传输定位系统。使用三种不同的方式激活砷化镓晶体,经过对比,选择了最适合我们激活方式。最高量子效率在532纳米的绿光驱动下达到10‰,并且具有很高的重复性。激活后的砷化镓光阴极可以在10-11托的超高真空下稳定保存。在光阴极传输至超导枪的过程中,量子效率下降到0.8％。砷化镓金刚石在制备室的测量中,证实了离子反轰引起量子效率下降现象的存在。　　在对射频超导塞型光阴极枪的测试中,砷化镓晶体对射频超导电子枪的品质因数有很大的影响。2K冷测中,加入砷化镓晶体后,由于砷化镓晶体在射频场中的正切损耗和表面电阻,使电子枪的品质因数从3×109降低到1.8×108。本论文通过模型分析了砷化镓晶体在射频场中的热损耗,并且经过热分布模拟,得到超导电子枪的失超梯度在6MV/m和实验结果相符。之后,对原有的BNL电子枪进行了塞型基底的改进,提高了电子枪的品质因数。在对砷化镓光阴极在射频场中的时间响应的研究中,本论文采用Fokker-Planck方程,理论上推出在射频场中的砷化镓光阴极发射的电子束拖尾远小于其在直流枪中的结论,可达到百飞秒量级。同时本论文分析了在射频电子枪中存在的质子反轰和由电子反轰引起的二次电子倍增现象。这两种粒子反轰对砷化镓光阴极的寿命有严重影响,本文给出了可以抑制电子反轰引起二次电子倍增的激光微波相位同步方法和载束实验步骤。　　本论文的第二个方向是金刚石放大器的研制。产生高平均流强,低发射度的电子束是现在加速器领域的关键技术之一。氢化后的金刚石放大器被认为是最有可能满足这些要求的电子源。金刚石放大器可以放大能量为千电子伏、从光阴极中产生的初级电子束。产生的二次电子束的流强高于初级电子束流强两个数量级。放大器由金刚石单晶、溅射铂金属层和氢化层构成。氢化层使金刚石表面形成负亲和势,有利于二次电子的发射。本论文系统地研究了氢化层制备技术,建立了一套制备金刚石放大器的的标准步骤,达到了100％的可重复性。论文中对比了常温氢化和高温氢化技术,得到高温氢化更适合金刚石放大器的制备。同时研究了长时间使用后发射能力下降的各种原因和加热恢复的方法。得到最优热处理温度为400℃-450℃,此温度在增益实验中同时被证实。实验中发现,金刚石放大器暴露氮气和大气之后,经过热处理可以被完全恢复,因此金刚石放大器的稳定性得到证实。迄今为止,测得的金刚石放大器最大的增益倍数为178。　　另外本论文研究了金刚石放大器的二次电子发射模型。影响金刚石增益的因素有:金刚石内二次电子空穴对的产生,二次电子的输运过程和二次电子的发射过程。实验中发现,金刚石发射面能够束缚导带上的二次电子并导致增益降低。本论文的微分方程模型显示,二次电子被束缚在表面后,对外电场产生屏蔽使金刚石内电场强度降低,导致电子空穴对难以分开并降低了增益。金刚石内的二次电子的能量分布和表面势垒决定了二次电子束缚率。后者可以改变外电场,通过肖特基效应降低表面势垒来得到。同时测量多片金刚石放大器样片的二次电子束缚率,同时通过拟合得到了金刚石内二次电子的能量分布。解此积分方程后,得到二次电子增益随脉冲长度的变化,与实验结果完全符合。