科学家使用纳米级钻石产生更好的加速器光束

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电子束。

在YAG屏幕上观察到的电子小束，距阴极源的距离不同

美国能源部(Arge)和洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)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，光束将被发送到一个发射交换光束线上，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然穿过的量子势垒而起作用。 “这是因为如果通过对这些领域，我们可以改变一个砖墙到石膏板-这是更容易通过它，”阿贡国家实验室加速器物理学家邵嘉航，该研究报告的作者说。

产生电子的其他方法包括使用热丝(类似于白炽灯泡中的灯丝)从固体中排出电子的热电子阴极，或使用超短激光脉冲使电子松动的光电阴极。

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。为了成功使用场发射技术，研究人员需要在阴极表面上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设备上的Argonne阴极测试台(ACT)光束线上进行的。“生成由场发射横向成形波束是该项目的第一个步骤中，我们正在探索不同的发射器的几何形状以及(射频)RF枪操作参数，”邵说。

根据该研究的另一位作者Argonne的加速器科学家Manoel Conde的说法，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。

一项基于研究的文章， “由金刚石棱锥阴极在RF枪产生的图案化的电子束的传输的示范出现在1月，” 2020的问题 应用物理快报，并报告生成和横向成形电子束的运输的成功示范从金刚石场-发射极在射频枪中排列阴极。另一篇文章“金刚石场发射阵列阴极赋形波束，”出现于7月到2020年的问题，IEEE在等离子体科学事务和报道金刚石场发射器阵列的连续结构优化。

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·苏斯掩模对准器进行光刻，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。