Nye 3D-modeller illustrerer effekten af ​​materiale ruhed på elektroner, der udsendes fra overfladen af ​​en fotokatode

Fotokatoder, der bruges i lineære acceleratorfaciliteter, frie elektronlasere og avancerede røntgenlyskilder genererer en elektronstråle til at undersøge stof på atomniveau. Fremskridt inden for materialevidenskaben har forbedret sammensætningen af ​​materialer, der anvendes til fotokatodeproduktion, der kan fungere ved synlige bølgelængder og producere en stråle med reduceret tværgående elektronmomentspredning.

På trods af disse fremskridt, overfladens ruhed af fotokatoden fortsætter med at begrænse stråleegenskaberne. Et forskerhold oprettede computermodeller for at bygge bro mellem teoretiske og eksperimentelle undersøgelser for at give et bedre billede af fysikken på overfladen af ​​fotokatoden. Resultaterne offentliggøres i denne uge i Journal of Applied Physics .

En koldere stråle producerer en lysere elektronkilde, men overfladeruhed kan ødelægge koldheden af ​​elektronstrålen. Dimitre A. Dimitrov, en videnskabsmand ved Tech-X Corp og en af ​​publikationens forfattere, arbejder sammen med andre for at optimere denne egenskab.

"For første gang, vi kan dyrke katoder med specifikt designet overfladeruhed på den eksperimentelle side, "Sagde Dimitrov." Fysikken på overfladen af ​​en fotokatode er utrolig kompleks, og vi skal forstå det bedre [at] skabe elektronstråler med optimale egenskaber. "

Dette arbejde er første gang, der har været et omfattende forsøg på at lave realistisk modellering af den væsentlige fysik ved overfladen af ​​fotokatoden, når fotoner absorberes og elektroner udsendes. Ved hjælp af specialiseret software, teamet skabte 3D-modeller, der simulerede elektronemissioner fra fotokatoder med flad og varieret overfladeruhed.

Forskerholdet brugte modellerne til at simulere emissioner fra overfladen af ​​en flad, antimon fotokatode. De sammenlignede simuleringerne med eksperimentelle data for at evaluere stråleegenskaber, inklusive kvanteudbytte, som kvantificerer antallet af elektroner, der udsendes pr. absorberet foton, og tværgående udsendelse, eller elektronemissionen vinkelret på retningen for stråleformering. Holdet sammenlignede også simuleringer af antimon med kendt overfladeruhed med eksperimentelle data for at evaluere de samme emissionsegenskaber.

"Fra dette arbejde, vi håber at få en forståelse af, hvor glatte overflader skal være og over hvilke rumlige skalaer, at hjælpe med design af fotokatoder til næste generation af ultra-lyse foton- og elektronkilder, "sagde Howard Padmore, divisionsvikar ved Lawrence Berkeley National Laboratory.

Simuleringerne i denne undersøgelse omfattede ikke effekten af ​​variation i lys på overfladeruhed. Fremtidig forskning vil undersøge denne variabel for at forstå dens effekt på fordelingen af ​​belastede elektroner, hvilket kan påvirke kvanteudbyttet. Forskerholdet, som også omfatter forskere fra Brookhaven National Laboratory, modellerede antimon i deres undersøgelse, men de ønsker at studere andre materialer og sammenligne disse data med resultaterne af deres antimonundersøgelse.