Als het gaat om het produceren van hoogwaardige elektronenbundels, zoals die worden aangetroffen in ultramoderne wetenschappelijke apparatuur zoals vrije elektronenlasers, ultrasnelle elektronendiffractie en beeldvorming en wakefield-versnellers, hebben wetenschappers gekeken naar fotokathodetechnologie als een manier om licht om te zetten. aan elektronen. Deze tools bieden onderzoekers een manier om dieper door te dringen in materialen en atomaire structuur en gedrag onder reële omstandigheden.
Fotokathoden werken door een proces dat het foto-elektrisch effect wordt genoemd, waarbij fotonen – meestal uitgezonden door een laser – een materiaal raken en elektronen van het oppervlak exciteren. Fotokathodes hebben de voorkeur boven andere vormen van kathodes omdat ze wetenschappers de mogelijkheid geven om de kwaliteit van de elektronenbundel beter te controleren. Toch hebben fotokathodes ruimte voor verbetering.
Wetenschappers die een nieuwe fotokathode proberen te maken, moeten een materiaal ontwikkelen dat aan drie verschillende parameters voldoet. Ten eerste moet het een hoge “kwantumefficiëntie” hebben – de verhouding van geproduceerde elektronen per inkomend foton. Ten tweede moet het een lage intrinsieke emissie hebben, die meet hoeveel de straal kan divergeren nadat deze is geproduceerd. Ten slotte moet de fotokathode omstandigheden tolereren die minder zijn dan een perfect vacuüm.
In een nieuwe studie van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), hebben onderzoekers een nieuw materiaal aangetoond met een uitstekende balans tussen deze parameters.
Het materiaal zelf – ultranokristallijne diamant of UNCD genoemd – is een door Argonne gepatenteerd materiaal. Onderzoekers van Argonne’s Centre for Nanoscale Materials (CNM), een DOE Office of Science User Facility, hebben UNCD gesynthetiseerd door middel van een chemische dampafzettingstechniek. Het UNCD-materiaal bestaat al een aantal jaren, maar deze studie was de eerste die het toepaste op fotokathodes in een omgeving met RF-fotokathodepistolen, zei Argonne-fysicus Jiahang Shao. “UNCD is bij Argonne ontwikkeld voor andere toepassingen, maar vanwege zijn unieke eigenschappen ontdekten we dat het ook geschikt was voor de behoeften van een geavanceerde fotokathode.”
Volgens Shao konden de meeste eerdere fotokathodes van metaal of halfgeleidend zijn. Elk, zei hij, had voor- en nadelen. Metalen fotokathodes hebben een langere levensduur omdat ze kunnen overleven in omgevingen met weinig vacuüm, maar halfgeleidende fotokathodes hebben een hogere kwantumefficiëntie.
Omdat op UNCD gebaseerde fotokathodes chemisch kunnen worden omgeschakeld om zich op een semi-metalen manier te gedragen, kunnen ze voordelen behalen die niet noodzakelijkerwijs te zien zijn in puur metalen of halfgeleiderfotokathodes, zei Gongxiaohui Chen, momenteel een postdoc bij Argonne en eerste auteur van de studie.
“Normaal werkt pure diamant als een isolator”, zei Chen. “ Maar in het geval van UNCD kan het via verschillende dopingtechnieken worden afgestemd om zich als een halfmetaal te gedragen. Met stikstof gedoteerde UNCD vertoont een hogere kwantumefficiëntiewaarde dan sommige van de beste metalen fotokathoden, uitstekende vacuümtolerantie, beter dan alle halfgeleiderproducten. en zelfs sommige metalen fotokathodes, en een gematigde intrinsieke emissie, in het bereik van de modernste metalen en halfgeleider fotokathodes. “
Het onderzoek werd uitgevoerd op de Argonne Cathode Test-stand. Toekomstig werk omvat testen met een vergroot kathodeoppervlakteveld met een verbeterd kathodesamenstelontwerp, metingen van de kathoderesponstijd en karakterisering van kathodes met eindstandige oppervlakte.
Een artikel gebaseerd op de studie, “Demonstration of stikstof-geïntegreerde ultranokristallijne diamant fotokathodes in een omgeving met RF-pistolen”, verscheen in de uitgave van 27 oktober 2020 van Applied Physics Letters
Gongxiaohui Chen et al. Demonstratie van in stikstof ingebouwde ultranokristallijne diamanten fotokathoden in een omgeving met RF-pistolen, Applied Physics Letters (2020). DOI: 10.1063 / 5.0029512
Applied Physics Letters
Geleverd door Argonne National Laboratory