Voor een breed scala aan krachtige wetenschappelijke instrumenten, van vrije-elektronenlasers tot wakefield-versnellers tot elektronenmicroscopen, het genereren van een heldere elektronenstraal met specifieke eigenschappen vormt een van de belangrijkste uitdagingen. Deze instrumenten kunnen worden gebruikt voor het onderzoeken van de eigenschappen van materie op atomair niveau of voor het versnellen van deeltjes tot hoge energieën.

Wetenschappers die de best mogelijke bundels willen creëren, zijn geïnteresseerd in twee specifieke eigenschappen die bepalen hoe goed de fotokathoden die bundels genereren werken:hun kwantumefficiëntie en hun intrinsieke emissie.

Kwantumefficiëntie meet de verhouding van het aantal geproduceerde foto-elektronen tot de fotonen die de kathode raken. Intrinsieke emissie, anderzijds, beschrijft de bundeldivergentie wanneer elektronen emitteren.

Wetenschappers zijn het meest geïnteresseerd in kathoden met een hoge kwantumefficiëntie en een lage intrinsieke emissie. Maar dat is niet alles - ze willen ook dat de kwantumefficiëntie en intrinsieke emissie constant zijn over de hele kathode. "Je kunt onze kathode zien als een tv-scherm, " zei versnellerfysicus Jiahang Shao van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE). "Onze kathode bestaat uit 'pixels, ' en net als op een tv-scherm wil je dat elke pixel een vergelijkbare helderheid heeft."

In een nieuwe studie van Argonne, onderzoekers van de Argonne Wakefield Accelerator-faciliteit hebben een nieuwe en snellere manier gevonden om tegelijkertijd de distributie van kwantumefficiëntie en intrinsieke emissie van een fotokathode te meten, en hebben de distributies gerelateerd om het emissiemechanisme van cesiumtelluride-kathoden beter te begrijpen, een hoofdtype fotokathode.

Het meten van de intrinsieke emissie van elk punt op de kathode - in wezen pixel-voor-pixel - is een extreem tijdrovend proces, zei Shao. Om de zaken te versnellen, de onderzoekers gebruikten een apparaat genaamd een microlens-array om meerdere kleine bundeltjes te maken die ze tegelijkertijd konden meten, in wezen een patroon creëren in plaats van individuele metingen te doen.

"Het patroon vermindert drastisch de tijd die nodig is om onze metingen van het gehele kathodeoppervlak uit te voeren, want in plaats van stap voor stap te moeten gaan, kunnen we verschillende regio's tegelijkertijd proeven, ' zei Shao.

Om de emittantie van de bundeltjes te meten, de onderzoekers gebruikten een apparaat dat een solenoïde wordt genoemd en dat de straal op een scherm focust. Door de focussterkte van de solenoïde aan te passen en de bijbehorende bundelgrootte te meten, onderzoekers kunnen de emittantie van de straal omgekeerd construeren.

Intrinsieke emissie is één component van de gemeten totale emissie, die groeifactoren bevat die het gevolg zijn van effecten die het gevolg zijn van de clustering van elektronen - ruimtelading genoemd - of andere aberraties die worden geïntroduceerd terwijl de bundel zich voortplant. Wetenschappers die de intrinsieke emissie van de kathode zelf willen begrijpen, moeten deze samengestelde effecten op de een of andere manier verminderen. In dit onderzoek, dergelijke effecten werden geëlimineerd door zorgvuldige simulatie en experimenten.

Bij het bestuderen van de eigenschappen van de verschillende bundeltjes, de onderzoekers merkten op dat beamlets met een hogere kwantumefficiëntie doorgaans ook een hogere intrinsieke emissie hadden, complicerende inspanningen om de best mogelijke balken te ontwerpen. "Het lijkt erop dat we altijd een soort wisselwerking zullen hebben tussen kwantumefficiëntie en intrinsieke emissie, " zei Shao. "De vraag is hoe we de twee in evenwicht brengen."

Een paper gebaseerd op de studie, "Snel in kaart brengen van thermische emissie en kwantumefficiëntie van een cesiumtelluride-kathode in een RF-foto-injector met behulp van meerdere laserstraaltjes, " werd gepubliceerd in de editie van 4 mei van Fysieke beoordeling versnellers en balken .