Forskere bruger diamanter til at generere bedre acceleratorstråler

Stråledrevne wakefield-accelerationstilgange er lovende kandidater til fremtidige store maskiner, inklusive røntgenfri elektronlasere og lineære kollidere, da de har potentialet til at forbedre effektiviteten og reducere driftsomkostningerne.

En af nøglefaktorerne, der driver denne effektivitetsforbedringer, involverer at manipulere den tidsmæssige fordeling af elektronstråler. I løbet af de sidste par årtier, forskere har undersøgt en række forskellige mekanismer, der med succes producerer tidsformede elektronstråler af varieret kvalitet med forskellige begrænsninger.

I en ny undersøgelse fra det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne og Los Alamos nationale laboratorier, videnskabsmænd brugte et fænomen kaldet feltemission til at udforske brugen af ​​arrays af små diamantspidser til at producere, hvad de håbede ville være en tværformet elektronstråle. Strålen vil derefter blive sendt ind i en emittansudvekslingsstrålelinje for at konvertere den tværgående fordeling til den tidsmæssige.

Feltemission virker ved at mindske de kvantebarrierer, som elektroner kan, efter sandsynlighedslovene, lejlighedsvis tunnel igennem. "Det er som om, at vi ved at anvende disse felter kan ændre en murstensvæg til gipsvæg - det er meget nemmere at gå igennem det, " sagde Argonne accelerator fysiker Jiahang Shao, en forfatter til undersøgelsen.

Andre metoder til at generere elektroner havde involveret enten termioniske katoder, som bruger varme filamenter - analogt med dem, der bruges i glødepærer - til at uddrive elektroner fra et fast stof, eller fotoelektriske katoder, som bruger ultrakorte laserimpulser til at fjeder elektroner løs.

Fordelen ved feltemissionskatoder, ifølge Shao, er, at de hverken kræver en varmekilde eller en dyr laseropsætning. "Vi bruger elektriske felter, uanset hvornår det er tid til at accelerere elektronerne, " sagde Shao. "Det er ikke meget mere ubelejligt at bruge dem til at generere dem i første omgang."

For at kunne bruge feltemissionsteknikken, forskerne skulle anvende et meget stærkt koncentreret elektrisk felt direkte på katodens overflade. For at gøre det, de skabte en film af diamant, der indeholdt diamantpyramider ca. 10 mikrometer på en side med nanometer-skala spidser på toppen, der var arrangeret i en en-millimeter ligesidet trekant.

Den eksperimentelle undersøgelse er udført på Argonne Cathode Test-stand (ACT) beamline ved Argonne Wakefield Accelerator faciliteten. "Generering af en tværformet stråle ved feltemission er det første trin i projektet, og vi udforsker forskellige emittergeometrier såvel som (radiofrekvens) rf-pistoldriftsparametre, " sagde Shao.

Ifølge Argonne accelerator videnskabsmand Manoel Conde, en anden forfatter til undersøgelsen, forskerne forsøgte at balancere to separate, men konkurrerende fænomener ved at bruge disse diamantfelt-emitter-arrays. Forskerne havde brug for at generere så høj en strøm som muligt af elektroner, der forlader materialet; imidlertid, de ønskede at afbøde udstødningskraften mellem elektroner for at bevare trekantformen under emission og transport.

En artikel baseret på undersøgelsen, "Demonstration af transport af en mønstret elektronstråle produceret af diamantpyramidekatode i en rf-pistol, " dukkede op i januar 2020-udgaven af Anvendt fysik bogstaver og rapporterede den vellykkede demonstration af generering og transport af en transversalt formet elektronstråle fra en diamantfelt-emitter-array-katode i en rf-kanon. Endnu en artikel, "Formede stråler fra diamantfelt-emitter array katoder, " dukkede op i juli 2020-udgaven af IEEE-transaktioner på plasmavidenskab og rapporterede den kontinuerlige geometrioptimering af diamantfelt-emitter-arrays.