Als het gaat om het produceren van hoogwaardige elektronenstralen zoals die worden aangetroffen in geavanceerde wetenschappelijke apparatuur zoals vrije-elektronenlasers, ultrasnelle elektronendiffractie en beeldvorming en wakefield-versnellers, wetenschappers hebben gekeken naar fotokathodetechnologie als een manier om licht om te zetten in elektronen. Deze tools geven onderzoekers een manier om dieper in materialen en atomaire structuur en gedrag onder reële omstandigheden door te dringen.

Fotokathoden werken via een proces dat het foto-elektrisch effect wordt genoemd, waarbij fotonen - meestal uitgezonden door een laser - een materiaal raken, opwindende elektronen van het oppervlak. Fotokathoden hebben de voorkeur boven andere vormen van kathoden omdat ze wetenschappers de mogelijkheid geven om de kwaliteit van de elektronenstraal beter te controleren. Nog, fotokathoden hebben ruimte voor verbetering.

Wetenschappers die een nieuwe fotokathode willen maken, moeten een materiaal ontwikkelen dat aan drie verschillende parameters voldoet. Eerst, het moet een hoge "kwantumefficiëntie" hebben - de verhouding van geproduceerde elektronen per inkomend foton. Tweede, het moet een lage intrinsieke emissie hebben, die meet hoeveel de bundel kan divergeren nadat deze is geproduceerd. Laatste, de fotokathode moet omstandigheden verdragen die minder zijn dan een perfect vacuüm.

In een nieuwe studie van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), onderzoekers hebben een nieuw materiaal aangetoond dat een uitstekende balans tussen deze parameters heeft.

Het materiaal zelf, ultrananokristallijne diamant genaamd, of UNCD - is een door Argonne gepatenteerd materiaal. Onderzoekers van Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, UNCD hebben gesynthetiseerd door middel van een chemische dampafzettingstechniek. Het UNCD-materiaal bestaat al een aantal jaren, maar deze studie was de eerste die het toepast op fotokathoden in een RF-fotokathodekanonomgeving, zei Argonne-fysicus Jiahang Shao. "UNCD is bij Argonne ontwikkeld voor andere toepassingen, maar vanwege zijn unieke eigenschappen vonden we dat het ook geschikt was voor de behoeften van een geavanceerde fotokathode."

Volgens Shao, de meeste eerdere fotokathoden kunnen van metaal of halfgeleidend zijn. Elk, hij zei, voor- en nadelen had. Metalen fotokathoden hebben een langere levensduur omdat ze kunnen overleven in slechte vacuümomgevingen, maar halfgeleidende fotokathoden hebben een hogere kwantumefficiëntie.

Omdat op UNCD gebaseerde fotokathoden chemisch kunnen worden omgeschakeld om zich op een semi-metalen manier te gedragen, ze kunnen voordelen opleveren die niet noodzakelijkerwijs worden gezien in fotokathoden van puur metaal of halfgeleiders, zei Gongxiaohui Chen, momenteel een postdoc bij Argonne en eerste auteur van de studie.

"Normaal gesproken, pure diamant werkt als een isolator, " zei Chen. "Maar in het geval van UNCD, het kan via verschillende dopingtechnieken worden afgesteld om zich als een halfmetaal te gedragen. Met stikstof gedoteerde UNCD vertoont een hogere kwantumefficiëntiewaarde dan sommige van de beste metallische fotokathoden, uitstekende vacuümtolerantie, beter dan alle halfgeleiders en zelfs sommige metalen fotokathoden, en matige intrinsieke emissie, op het gebied van ultramoderne metalen en halfgeleider fotokathoden."

Het onderzoek werd uitgevoerd op de Argonne Cathode Test-stand. Toekomstig werk omvat tests met een groter kathodeoppervlak met een verbeterd ontwerp van de kathodeassemblage, metingen van de reactietijd van de kathode en karakterisering van kathoden aan het oppervlak.

Een artikel gebaseerd op het onderzoek, "Demonstratie van met stikstof opgenomen ultrananokristallijne diamantfotokathoden in een RF-kanonomgeving, " verscheen in de 27 oktober, 2020 uitgave van Technische Natuurkunde Brieven .