Små diamanter er et fremragende materiale til acceleratorkomponenter

Når det kommer til at producere højkvalitets elektronstråler som dem, der findes i avanceret videnskabeligt udstyr som fri-elektronlasere, ultrahurtig elektrondiffraktion og billeddannelse og wakefield-acceleratorer, forskere har set på fotokatodeteknologi som en måde at omdanne lys til elektroner. Disse værktøjer giver forskere en måde at trænge dybere ind i materialer og atomare struktur og adfærd under virkelige forhold.

Fotokatoder arbejder gennem en proces kaldet den fotoelektriske effekt, hvor fotoner - typisk udsendt af en laser - rammer et materiale, exciterer elektroner fra dens overflade. Fotokatoder er at foretrække frem for andre former for katoder, fordi de giver videnskabsmænd mulighed for bedre at kontrollere kvaliteten af ​​elektronstrålen. Endnu, fotokatoder har plads til at forbedre.

Forskere, der forsøger at skabe en ny fotokatode, skal udvikle et materiale, der opfylder tre forskellige parametre. Først, det skal have høj "kvanteeffektivitet" - forholdet mellem producerede elektroner pr. indkommende foton. Sekund, det skal have lav iboende emission, som måler, hvor meget strålen kan divergere efter den er produceret. Sidst, fotokatoden skal tåle forhold mindre end et perfekt vakuum.

I en ny undersøgelse fra det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne National Laboratory, forskere har demonstreret et nyt materiale, der har en fremragende balance mellem disse parametre.

Selve materialet - kaldet ultrananokrystallinsk diamant, eller UNCD - er et Argonne-patenteret materiale. Forskere ved Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM), en DOE Office of Science brugerfacilitet, har syntetiseret UNCD ved en kemisk dampaflejringsteknik. UNCD-materialet har eksisteret i en årrække, men denne undersøgelse var den første til at anvende den på fotokatoder i et RF-fotokatodekanonmiljø, sagde Argonne-fysiker Jiahang Shao. "UNCD blev udviklet hos Argonne til andre applikationer, men på grund af dens unikke egenskaber fandt vi ud af, at den også passede til behovene for en avanceret fotokatode."

Ifølge Shao, de fleste tidligere fotokatoder kunne enten være metalliske eller halvledende. Hver, han sagde, havde fordele og ulemper. Metalliske fotokatoder har længere levetid, fordi de kan overleve i dårlige vakuummiljøer, men halvledende fotokatoder har højere kvanteeffektivitet.

Fordi UNCD-baserede fotokatoder kan skiftes kemisk til at opføre sig på en semi-metallisk måde, de kan opnå fordele, der ikke nødvendigvis ses i rene metal- eller halvlederfotokatoder, sagde Gongxiaohui Chen, i øjeblikket postdoc hos Argonne og førsteforfatter af undersøgelsen.

"Normalt, ren diamant fungerer som en isolator, " sagde Chen. "Men i tilfældet med UNCD, den kan tunes gennem forskellige dopingteknikker til at opføre sig som en semimetal. Nitrogen-doteret UNCD viser en højere kvanteeffektivitetsværdi end nogle af de bedste metalliske fotokatoder, fremragende vakuumtolerance, bedre end alle halvledere og endda nogle metalliske fotokatoder, og moderat indre emission, i rækken af ​​state-of-the-art metalliske og halvleder fotokatoder."

Undersøgelsen blev udført på Argonne Cathode Test-stand. Fremtidigt arbejde omfatter tests med et øget katodeoverfladefelt med et forbedret katodekonstruktionsdesign, målinger af katodens responstid og karakterisering af overfladeterminerede katoder.

En artikel baseret på undersøgelsen, "Demonstration af nitrogen-inkorporerede ultrananokrystallinske diamantfotokatoder i et RF-kanonmiljø, " dukkede op i den 27. oktober, 2020 udgave af Anvendt fysik bogstaver .