För ett brett utbud av kraftfulla vetenskapliga instrument, från frielektronlasrar till wakefieldacceleratorer till elektronmikroskop, att generera en ljus elektronstråle som har specifika egenskaper representerar en av de viktigaste utmaningarna. Dessa instrument kan användas för att undersöka materiens egenskaper på atomnivå eller för att accelerera partiklar till höga energier.

Forskare som försöker skapa de bästa strålarna är intresserade av två speciella egenskaper som avgör hur väl fotokatoderna som genererar strålar fungerar - deras kvanteffektivitet och deras inneboende emittans.

Kvanteffektivitet mäter förhållandet mellan antalet producerade fotoelektroner och fotoner som träffar katoden. Inre emission, å andra sidan, beskriver stråldivergensen när elektroner emitterar.

Forskare är mest intresserade av katoder som har hög kvanteffektivitet och låg inre emittans. Men det är inte allt – de vill också att kvanteffektiviteten och den inneboende emittansen ska vara konstant över hela katoden. "Du kan tänka på vår katod som en TV-skärm, " sa acceleratorfysikern Jiahang Shao vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory. "Vår katod består av 'pixlar, ' och som på en TV-skärm vill du att varje pixel ska ha samma ljusstyrka."

I en ny studie från Argonne, forskare vid Argonne Wakefield Accelerator-anläggningen har hittat ett nytt och snabbare sätt att samtidigt mäta fördelningen av kvanteffektivitet och inre emittans av en fotokatod, och har relaterat fördelningarna för att bättre förstå emissionsmekanismen för cesiumtelluridkatoder, en huvudtyp av fotokatod.

Att mäta den inneboende emittansen för varje punkt på katoden – i huvudsak pixel för pixel – är en extremt tidskrävande process, sa Shao. För att påskynda saker, forskarna använde en enhet som kallas mikrolinsarray för att skapa flera små strålar som de kunde mäta samtidigt, skapa ett mönster istället för att göra individuella mätningar.

"Mönstret minskar dramatiskt tiden det tar att göra våra mätningar av hela katodytan, för istället för att behöva gå steg för steg kan vi prova olika regioner samtidigt, sa Shao.

För att göra mätningar av strålarnas emittans, forskarna använde en anordning som kallas solenoid som fokuserar strålen på en skärm. Genom att justera solenoidens fokuseringsstyrka och mäta motsvarande strålstorlek, forskare kan konstruera omvänt strålens emittans.

Inre emittans är en komponent av den uppmätta totala emittansen, som innehåller tillväxtfaktorer som antingen beror på effekter som härrör från klustring av elektroner – kallad rymdladdning – eller andra avvikelser som introduceras när strålen fortplantar sig. Forskare som försöker förstå den inneboende emittansen av själva katoden måste på något sätt minska dessa sammansättningseffekter. I den här studien, sådana effekter eliminerades genom noggrann simulering och experimentansträngning.

När man studerar egenskaperna hos de olika strålarna, forskarna märkte att strålar med högre kvanteffektivitet också tenderade att vanligtvis ha högre inre emittans, komplicerar arbetet med att designa bästa möjliga balkar. "Det verkar som att vi alltid kommer att ha någon form av en avvägning mellan kvanteffektivitet och inneboende emission, "Shao sa. "Frågan är hur vi balanserar de två."

Ett papper baserat på studien, "Snabb termisk emittans och kvanteffektivitetskartläggning av en cesiumtelluridkatod i en rf-fotoinjektor med användning av flera laserstrålar, " publicerades i 4 maj-upplagan av Fysisk granskning Acceleratorer och strålar .