科学家使用纳米级钻石生成更高效的加速器光束

在YAG屏幕上观察到的电子小束，距阴极源的距离不同。

光束驱动的尾场加速方法有望成为未来大型机器（包括X射线自由电子激光器和线性对撞机）的候选者，因为它们具有提高效率和降低运营成本的潜力。

推动效率提高的关键因素之一涉及操纵电子束的时间分布。在过去的几十年中，研究人员研究了许多不同的机制，这些机制成功地产生了具有不同局限性，质量各不相同的时间形状的电子束。

“好像通过应用这些字段，我们可以将一堵砖墙变成干墙了-遍历它要容易得多。”—阿贡加速器物理学家邵家航

在美国能源部（DOE）的阿贡大学和洛斯阿拉莫斯国家实验室的一项新研究中，科学家利用一种称为场发射的现象来探索使用微小的钻石尖端阵列来产生他们希望的横向形状电子束。然后，该光束将被发送到发射交换光束线上，以将横向分布转换为时间上的分布。

场发射通过降低电子可以根据概率定律偶尔穿过而穿过的量子势垒而起作用。这项研究的作者阿贡（Argonne）加速器物理学家邵嘉航说：“通过应用这些领域，我们似乎可以将一堵砖墙变成干墙了。

其他产生电子的方法包括使用热丝（类似于白炽灯泡中的热丝）将电子从固体中排出的热电子阴极，或使用超短激光脉冲使电子松散的光电阴极。

据邵说，场发射阴极的优势在于它们既不需要热源，也不需要昂贵的激光器。邵说：“无论何时需要加速电子，我们都会使用电场。”``首先使用它们来生成它们并不会带来太多不便。''

为了成功使用场发射技术，研究人员需要在阴极表面直接施加非常强的集中电场。为此，他们制作了一层金刚石薄膜，该金刚石薄膜的侧面大约有10微米的金刚石金字塔，顶部有纳米级尖端，这些尖端排列成一个1毫米的等边三角形。

实验研究是在Argonne Wakefield Accelerator设施的Argonne阴极测试台（ACT）光束线上进行的。邵说：``通过场发射产生横向成形的光束是该项目的第一步，我们正在探索不同的发射器几何形状以及（射频）rfgun操作参数。''

该研究的另一位作者阿贡（Argonne）加速器科学家Manoel Conde表示，研究人员正试图通过使用这些钻石场发射体阵列来平衡两个独立但相互竞争的现象。科学家们需要产生尽可能高的电流，使电子离开材料。但是，他们希望减轻电子之间的排出力，以在发射和传输过程中保持三角形形状。

参考：

KE Nichols，HL Andrews，D.Kim，EI Simakov，M.Conde，DS Doran，G.Ha，W.Liu，JF Power的“在射频枪中钻石金字塔阴极产生的图案化电子束的传输演示” ，J。Shao，C.Whiteford，EE Wisniewski，SP Antipov和G.Chen（2021年1月13日），《应用物理快报》。
10.1063/1.5128109

Heather Andrews，Kimberley Nichols，Dongsung Kim，Evgenya I. Simakov，Sergey Antipov，Gongxiaohui Chen，Manoel Conde，Darrel Doran，Gwanghui Ha，刘万明，John Power，邵嘉杭，“钻石场发射器阵列阴极上的异形光束”和Eric Wisniewski，2020年4月20日，IEEE等离子科学交易。DOI：
10.1109 / TPS.2020.2984156

一项基于该研究的文章，``在射频枪中钻石金字塔阴极产生的图案化电子束的传输的演示''，出现在2020年1月的《应用物理快报》上，并成功报道了横向产生和传输的成功案例。菱形场发射器阵列形成的定型电子束在RF枪中排列成阴极。另一篇文章``来自钻石场发射器阵列阴极的成形光束''出现在2020年7月出版的IEEE Transactions on Plasma Science上，并报道了钻石场发射器阵列的连续几何优化。除了Shao和Conde，其他Argonne的作者还包括Darrel Doran，Gwanghui Ha，Liu Mingming，John Power和Eric Wisniewski。其他作者包括Los Alamos国家实验室的Heather Andrews，Kimberley Nichols，Dongsung Kim和Evgenya Simakov，以及伊利诺伊理工学院的Euclid Techlabs的Sergey Antipov和Chen Gongxiaohui Chen。

这项工作部分在集成纳米技术中心进行，该中心是由DOE科学办公室运营的科学用户设施办公室。在那里，科学家使用氟感应耦合等离子体进行硅蚀刻，使用卡尔·苏斯掩模对准仪进行光刻，并使用Nova NanoSEM 450进行扫描电子显微镜。

这项工作由洛斯阿拉莫斯国家实验室实验室主导的研究与开发计划资助。洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）是平等行动机会平权雇主，由美国能源部NNSA的Triad National Security，LLC管理。