Fotokatoder som används i linjära acceleratoranläggningar, fria elektronlasrar och avancerade röntgenljuskällor genererar en elektronstråle för att sondera materia på atomnivå. Framsteg inom materialvetenskap har förbättrat sammansättningen av material som används vid fotokatodrift som kan arbeta vid synliga våglängder och producera en stråle med reducerad tvärgående elektronmomentspridning.

Trots dessa framsteg, fotokatodens ytråhet fortsätter att begränsa strålegenskaperna. Ett forskargrupp skapade datormodeller för att överbrygga klyftan mellan teoretiska och experimentella studier för att ge en bättre bild av fysiken vid fotokatodens yta. Resultaten publiceras denna vecka i Journal of Applied Physics .

En kallare stråle ger en ljusare elektronkälla, men ytjämnhet kan förstöra elektronstrålens kyla. Dimitre A.Dimitrov, en forskare vid Tech-X Corp och en av publikationens författare, arbetar med andra för att optimera denna egenskap.

"För första gången, vi kan odla katoder med speciellt utformad ytråhet på den experimentella sidan, "Sa Dimitrov." Fysiken på ytan av en fotokatod är otroligt komplex, och vi måste förstå det bättre [att] skapa elektronstrålar med optimala egenskaper. "

Detta arbete är första gången det har gjorts ett omfattande försök att göra realistisk modellering av den väsentliga fysiken vid fotokatodens yta när fotoner absorberas och elektroner avges. Med hjälp av specialiserad programvara, laget skapade 3D-modeller som simulerade elektronutsläpp från fotokatoder med platt och varierad ytråhet.

Forskargruppen använde modellerna för att simulera utsläpp från ytan på en lägenhet, antimon fotokatod. De jämförde simuleringarna med experimentella data för att utvärdera strålegenskaper, inklusive kvantutbyte, som kvantifierar antalet elektroner som avges per absorberad foton, och tvärgående emittans, eller elektronemissionen vinkelrät mot strålningsutbredningens riktning. Teamet jämförde också simuleringar av antimon av känd ytråhet med experimentella data för att utvärdera samma utsläppsegenskaper.

"Från detta arbete, vi hoppas få en förståelse för hur släta ytor måste vara och över vilka rumsliga skalor, att hjälpa till med utformningen av fotokatoder för nästa generations ultraljusa foton- och elektronkällor, "sa Howard Padmore, division biträdande vid Lawrence Berkeley National Laboratory.

Simuleringarna i denna studie inkluderade inte effekten av variation i ljus på ytråheten. Framtida forskning kommer att undersöka denna variabel för att förstå dess effekt på fördelningen av laddade elektroner, vilket kan påverka kvantutbytet. Forskargruppen, som också inkluderar forskare från Brookhaven National Laboratory, modellerade antimon i sin studie men de vill studera annat material och jämföra dessa data med resultaten av deras antimonstudie.