Исследователи Корнелла раскрывают будущее фотокатодов с помощью HERACLES Beamline

Лаборатория Ньюмана/Корнельский университет

Визуальное изображение линии луча HERACLES, машины, которая имитирует суровые условия крупнейших коллайдеров частиц.

Исследователи из лаборатории Ньюмана в настоящее время экспериментируют с различными материалами фотокатодов и их разрушением, чтобы повысить их долговечность в суровых условиях. При этом они смогут лучше понять такие явления, как обратная ионная бомбардировка, которые происходят только при больших токах.

Фотокатоды, поверхности, которые испускают электроны при попадании света, сегодня используются во многих научных инструментах, таких как рентгеновские аппараты, лазеры на свободных электронах, производство полупроводников и электронная микроскопия. Свет определенных типов лазеров на этих фотокатодах будет излучать электроны в зависимости от свойств лазера и фотокатода. Однако фотокатоды повреждаются при длительном воздействии этих лазерных лучей.

Канал High ElectRon Average Current for Lifetime ExperimentS (HERACLES) представляет собой испытательный ускоритель, который может создать среду, аналогичную той, что используется в фотоинжекторах, используемых в некоторых крупнейших в мире коллайдерах частиц. HERACLES — это испытательная установка, используемая в основном для развития фундаментальных знаний о поведении фотокатодов в ускорителях частиц.

«Как правило, эта среда невероятно агрессивна для фотокатода, что приводит к снижению производительности», — сказал выпускник Сэм Левенсон, работающий в лаборатории Ньюмана. «Воспроизводя эти условия контролируемым образом, мы можем провести исследования, направленные на повышение надежности фотокатодов».

Фотокатоды можно разделить на два семейства: металлические фотокатоды и полупроводниковые фотокатоды. Металлические фотокатоды — это семейство фотокатодов, состоящих из металлов, таких как медь и магний. Полупроводниковые фотокатоды обычно состоят из арсенида галлия, нитрида галлия и антимонида цезия.

Лаборатория Ньюмана использовала квантовую эффективность — показатель, используемый для оценки отношения количества испускаемых электронов к числу фотонов — для измерения чувствительности фотокатода к свету.

Их исследование показало, что металлические катоды служат в течение длительного периода времени, но не обладают высокой квантовой эффективностью, а это означает, что они не очень эффективны при преобразовании фотонов в электроны. Полупроводниковые катоды, однако, имеют очень высокие квантовые числа, но служат недолго. Когда фотокатод умирает, квантовая эффективность снижается, поэтому катод больше не чувствителен к свету и не способен эффективно преобразовывать фотоны в электроны, что делает фотокатод неэффективным.

HERACLES имитирует суровые условия ускорителей частиц, работая на высоких токах с помощью мощных лазеров. Однако это может оказать негативное воздействие на фотокатоды.

«Когда излучаемый луч [ГЕРАКЛА] сталкивается с молекулами остаточного газа, они становятся положительно заряженными. Поскольку ионы имеют противоположный заряд, они ускоряются к катоду», — сказал Левенсон.

Это взаимодействие, называемое обратной ионной бомбардировкой, вызывает повреждение фотокатода.

Лаборатория Ньюмана в настоящее время тестирует различные положения камеры выращивания по отношению к HERACLES, а также различные покрытия фотокатода, чтобы способствовать ускоренному росту фотокатода. Высокоэффективные фотокатоды необходимо хранить в вакууме, чтобы смягчить последствия химического отравления молекулами газа, которые могут быстро разрушить фотокатод.

Фотокатоды выращиваются в вакуумной камере, расположенной на другом этаже лаборатории, чтобы смягчить последствия химического отравления, и их необходимо транспортировать в вакуумном чемодане, который присоединяется к задней части HERACLES. Этот процесс требует времени и приводит к деградации фотокатодов. Конструкция прикрепленной ростовой камеры позволит тестировать фотокатоды сразу после роста.

Исследователи также тестируют различные полупроводниковые фотокатодные покрытия, чтобы определить их чувствительность. Например, арсенид галлия требует наличия на поверхности слоя цезия — чрезвычайно чувствительного химического элемента, быстро и легко окисляющегося. Это делает его чрезвычайно уязвимым для обратной ионной бомбардировки, которая разрушает эти фотокатоды.