Straalgestuurde wakefield-versnellingsbenaderingen zijn veelbelovende kandidaten voor toekomstige grootschalige machines, inclusief röntgenvrije elektronenlasers en lineaire versnellers, omdat ze het potentieel hebben om de efficiëntie te verbeteren en de bedrijfskosten te verlagen.

Een van de belangrijkste factoren die deze efficiëntieverbetering stimuleren, is het manipuleren van de tijdelijke verdeling van elektronenbundels. In de laatste paar decennia, onderzoekers hebben een aantal verschillende mechanismen onderzocht die met succes tijdelijk gevormde elektronenbundels van verschillende kwaliteit met verschillende beperkingen produceren.

In een nieuwe studie van de nationale laboratoria Argonne en Los Alamos van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), wetenschappers gebruikten een fenomeen genaamd veldemissie om het gebruik van arrays van kleine diamanten tips te onderzoeken om te produceren wat ze hoopten dat een transversaal gevormde elektronenstraal zou zijn. De straal wordt dan naar een emittantie-uitwisselingsstraallijn gestuurd om de transversale distributie om te zetten in de tijdelijke.

Veldemissie werkt door het verminderen van de kwantumbarrières die elektronen kunnen, volgens de wetten van waarschijnlijkheid, af en toe een tunnel door. "Het is alsof we door deze velden toe te passen een bakstenen muur kunnen veranderen in gipsplaat - het is veel gemakkelijker om er doorheen te gaan, " zei Argonne-versnellerfysicus Jiahang Shao, een auteur van de studie.

Andere methoden om elektronen te genereren waren ofwel thermionische kathoden, die hete filamenten gebruiken - analoog aan die in gloeilampen - om elektronen uit een vaste stof te verdrijven, of foto-elektrische kathoden, die ultrakorte laserpulsen gebruiken om elektronen los te laten springen.

Het voordeel van veldemissiekathoden, volgens Shao, is dat ze noch een warmtebron, noch een dure laseropstelling nodig hebben. "We gebruiken elektrische velden, ongeacht wanneer het tijd is om de elektronen te versnellen, " zei Shao. "Het is niet veel onhandiger om ze te gebruiken om ze in de eerste plaats te genereren."

Om de veldemissietechniek met succes te gebruiken, de onderzoekers moesten een zeer sterk geconcentreerd elektrisch veld direct op het oppervlak van de kathode aanbrengen. Om dit te doen, ze creëerden een film van diamant met diamanten piramides van ongeveer 10 micrometer aan een kant met nanometer-schaal tips erop die waren gerangschikt in een gelijkzijdige driehoek van één millimeter.

De experimentele studie wordt uitgevoerd op de Argonne Cathode Test-stand (ACT) bundellijn in de Argonne Wakefield Accelerator-faciliteit. "Het genereren van een transversaal gevormde bundel door veldemissie is de eerste stap van het project, en we onderzoeken verschillende emittergeometrieën evenals (radiofrequentie) rf-pistoolbedieningsparameters, ' zei Shao.

Volgens Argonne-versnellerwetenschapper Manoel Conde, een andere auteur van de studie, de onderzoekers probeerden twee afzonderlijke maar concurrerende fenomenen in evenwicht te brengen door deze diamantveld-emitterarrays te gebruiken. De wetenschappers moesten een zo hoog mogelijke stroom opwekken van elektronen die het materiaal verlaten; echter, ze wilden de uitdrijvende kracht tussen elektronen verminderen om de driehoeksvorm te behouden tijdens emissie en transport.

Een artikel gebaseerd op het onderzoek, "Demonstratie van transport van een elektronenbundel met patronen geproduceerd door een diamantpiramidekathode in een RF-kanon, " verscheen in het januari 2020 nummer van Technische Natuurkunde Brieven en rapporteerde de succesvolle demonstratie van het genereren en transporteren van een transversaal gevormde elektronenbundel van een kathode met diamantveld-emitterarrays in een rf-kanon. Een ander artikel, "Gevormde bundels van diamanten veld-emitter array-kathoden, " verscheen in de uitgave van juli 2020 van IEEE-transacties op plasmawetenschap en rapporteerde de continue geometrie-optimalisatie van diamantveld-emitterarrays.