摘要 近日,美國阿爾貢國立實驗室納米中心和歐幾里得科技實驗室聯(lián)合研究出一種即插即用式方案,在高強電子束的高電場環(huán)境下利用納米金剛石材料的微波電子槍制造電子。微波電子槍在X射線源領域的應用...
近日,美國阿爾貢國立實驗室納米中心和歐幾里得科技實驗室聯(lián)合研究出一種即插即用式方案,在高強電子束的高電場環(huán)境下利用納米金剛石材料的微波電子槍制造電子。微波電子槍在X射線源領域的應用十分廣泛,同傳統(tǒng)直流電子槍相比,它能夠提供更高電流和更強的電子束,從而用于自由電子激光器、同步加速器、直線對撞機和韋克菲爾德加速器等技術。但由于電子發(fā)射原理包括光電陰極材料的激光放射、熱陰極材料的加熱等一系列復雜繁瑣的技術和參數(shù)等,使得微波電子槍技術極為復雜棘手,研究和應用成本也相當昂貴。
為簡化微波電子槍的工作原理,科學家們采用場發(fā)射技術研究出了一種即插即用,也即熱插拔方案。而該技術應用到的材料則是超級納米微晶金剛石(UNCD)。
材料專家Sergey Baryshev介紹,場發(fā)射是強電場作用下電子從固態(tài)材料被釋放到真空狀態(tài)下的一種現(xiàn)象。一個較強的材料表面的電場可以促成表面勢壘的隧道傳播。所以,從本質(zhì)上講,場發(fā)射陰極(FEC)就是光電陰極和熱陰極的電子源可替代物。Sergey Baryshev補充道,F(xiàn)EC利用強激光或者高溫來釋放電子。
微波電子槍的電子發(fā)射器中需要內(nèi)置一個銅片,而該銅片通常會受到強烈的電場動蕩影響。鑒于此,科學家們便采用超級納米微晶金剛石(UNCD)薄膜來替代銅片。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),UNCD不僅提供了一個較大的電荷和峰值電流,而且角度分散非常低,電子束的能量擴散也很弱。后兩者參數(shù)的優(yōu)越性要比傳統(tǒng)的光電陰極材料高出許多。使用UNCD材料的電子槍發(fā)射出的電子束,其能量也更強。

工作人員在釔-鋁-石榴石熒光屏上制造出的電子束
此外,UNCD能夠經(jīng)受微波電子槍惡劣的使用環(huán)境,使用壽命也比預期的要長。Sumant說,UNCD的平面幾何屬性能夠助其分布整體的電場,大約是每平方厘米1萬億窄晶界。
超級納米微晶金剛石-場發(fā)射陰極(UNCD FEC)在未來可能會替代傳統(tǒng)的銅材料加速器,用于日常電子源設備。而科學家們則更加關注這種材料在超導無線電頻率(SRF)加速器方面的應用。
SRF系統(tǒng)能夠提供更高的工作負荷循環(huán),也即工作續(xù)航力,它相當于工業(yè)生產(chǎn)中更高的生產(chǎn)速度。歐幾里得科技實驗室的Chunguang Jing說,截至目前為止,SRF系統(tǒng)并不為行業(yè)看好,因為它的能量轉(zhuǎn)換效率低。而這種低效率正是由于使用了光電陰極激光和熱陰極而造成的。
Baryshev指出,SRF系統(tǒng)和傳統(tǒng)的銅制材系統(tǒng)在制造電子時,其能耗是UNCD材料能耗的10倍之多,其中有百分之九十的能耗都被浪費掉了。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)的推測,如果SRF系統(tǒng)能夠被控制在液氮溫度的理想低溫環(huán)境下,那么它的能量轉(zhuǎn)換效率要明顯提升50%-60%左右。而這種超級納米微晶金剛石(UNCD)則很好地解決了SRF系統(tǒng)中部件升溫發(fā)熱的問題。