Незнакомы с СВЧ-электронными пушками? Возможно, наиболее известные в области источников рентгеновского излучения микроволновые электронные пушки обеспечивают более высокий ток и гораздо более высокое качество электронных пучков, чем обычные пушки постоянного тока. Пучки такого типа также используются в лазерах на свободных электронах, синхротронах, линейных коллайдерах и схемах ускорителей кильватерного поля.
Но задействованные механизмы электронной эмиссии — лазерное облучение материалов (фотокатоды) и нагрев материалов (термоэлектронные катоды) — имеют тенденцию быть сложными, громоздкими или чрезвычайно дорогими.
Чтобы упростить процесс, как описано в Applied Physics Letters, они обратились к третьему механизму электронной эмиссии — автоэлектронной эмиссии — для создания plug-and-play решения на основе ультрананокристаллического алмаза (UNCD), первоначально представленного в Аргонне.
Автоэлектронная эмиссия «представляет собой процесс освобождения электронов из твердотельных материалов в вакуум под действием электрического поля», — сказал Сергей Барышев, ученый-материаловед, и Сергей Антипов, физик-ускоритель, работающие в Euclid TechLabs. "Сильное электрическое поле на поверхности вызывает туннельное распространение через поверхностный барьер. По сути, наш автоэмиссионный катод (FEC) является источником электронов, альтернативным фото- или термоэлектронным катодам, которые используют интенсивный лазер или высокие температуры для высвобождения электронов », — добавил Антипов.
В Аргоннском центре наноразмерных материалов свойства полевой эмиссии КБОООН изучались в течение нескольких лет, и исследователи смогли продемонстрировать, что КБОООН работает лучше даже в плоских конфигурациях, в отличие от других алмазных пленок, которые должны быть сформированы в структуры с высоким соотношением сторон. локально усилить электрическое поле и произвести значительные токи. «Это связано с уникальной конфигурацией углеродных связей в границах зерен шириной в несколько атомов, окруженных наноразмерными зернами КБОООН, которые естественным образом дают очень высокое усиление поля», — отметила Ани Сумант, наноученый и специалист КООНБО из Аргонна.
Исследование команды является первым известным фактическим испытанием плоской тонкой пленки UNCD в электронном инжекторе, в котором пленка UNCD фактически заменяет часть внутренней медной стенки, подверженную сильному колеблющемуся электрическому полю. Одним из сюрпризов было обнаружение того, что «UNCD обеспечивает такой большой заряд и пиковый ток с такой малой угловой расходимостью и энергетическим разбросом электронного луча — и то, и другое сопоставимо с фотокатодами», — сказал Барышев. «Полученный электронный пучок очень высокого качества."
Важно отметить, что КБОООН выжил в суровых условиях использования микроволнового пистолета без заметного ухудшения характеристик в течение длительного периода времени. «Плоская геометрия КБОООН может помочь распределить общее электрическое поле, испытываемое узкими границами зерен — более триллиона на квадратный сантиметр», — пояснил Сумант.
В то время как UNCD FEC может однажды стать настоящим товарным источником электронов для обычных ускорителей на основе меди, команда ожидает увидеть наиболее интересные последствия в области сверхпроводящих радиочастотных ускорителей (SRF).
«Системы SRF потенциально предлагают более высокие рабочие циклы, которые соответствуют более высокой производительности, что важно для промышленности», — сказал Чунгуан Цзин, вице-президент Euclid TechLabs. «До сих пор, однако, системы SRF не считались промышленностью привлекательными, потому что их эффективность подключения к стене низкая и, по сравнению с обычными системами, в основном вызвана использованием инжекторов теплых электронов с фотокатодами (лазеры) или термоэмиссионными (нагреватели) катодами."
Ускоритель — это сложная система, и на самом базовом уровне он аналогичен микроволновой печи или чайнику на вашей кухне, поэтому вы можете определить его эффективность при подключении к розетке — по сути, сколько фактически потребляемой электроэнергии было использовано по сравнению с. потрачено.
«Для SRF и обычных медных систем для получения электронного луча этот параметр составляет 10 процентов.
Его потребляемой энергии будет в 10 раз больше, потому что 90 процентов тратится впустую », — отметил Барышев. «Ранее было продемонстрировано, что если бы SRF были полностью криогенными при температурах жидкого гелия, эффективность стенной заглушки можно было бы повысить до 50-60%. Наш UNCD FEC может включить эту опцию, избегая любых горячих частей в системе SRF."
Почему все это так важно? Одна из веских причин заключается в том, что полностью криогенные высокоэффективные ускорители SRF могут быстро привести к огромной экономии затрат на электроэнергию — порядка миллионов долларов в год — по сравнению с ускорителями электронов, использующими обычные ускорители.
Технологии команды имеют отношение к «многим существующим промышленным и медицинским задачам, включая те, которые имеют высшее национальное значение», — добавил Барышев.